最后，也就是第三種方法，也是最誘人的獲得速度的方法，從地球向飛行器傳輸能量，飛行器本身不提供物質(zhì)（即炸藥或燃料形式）能量；而且在地球以平行短波形式向飛行器發(fā)射電磁光束。

K. E. 齊奧爾科夫斯基

1924年《宇宙飛船》

60多年前，1957年10月4日，第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)被火箭助推器發(fā)射到近地軌道。從那時(shí)起，包括蘇聯(lián)、美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)和日本在內(nèi)的許多國(guó)家紛紛開始建立大型航天器發(fā)射場(chǎng)；向太陽(yáng)系內(nèi)的行星發(fā)射空間飛行器的任務(wù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)；航天員也登上了月球。可以預(yù)期，在不久的將來(lái)，將出現(xiàn)更多載人和無(wú)人飛行任務(wù)與探索地球以外更遠(yuǎn)的恒星的前景空間項(xiàng)目。

距離1960年第一臺(tái)激光器，一種高度定向的平行電磁光束被驗(yàn)證，也已經(jīng)過去了60年。目前，各種類型的高功率激光器（包括氣體、液體、固態(tài)和自由電子）已經(jīng)能夠在從X射線到中紅外光譜譜段等較寬的輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。激光已經(jīng)在民用和海軍領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前已研制出基于高功率激光輻射能量傳輸?shù)娜�球能源系統(tǒng)，其中一些項(xiàng)目涉及空間運(yùn)輸系統(tǒng)，這些系統(tǒng)利用高功率激光產(chǎn)生推力。

在20世紀(jì)70年代和80年代，先后有幾個(gè)涉及激光軌道轉(zhuǎn)移飛行器（Laser Orbit Transfer Vehicle,LOTV）的空間任務(wù)項(xiàng)目采用了陸基或星載高功率激光推進(jìn)方式。假設(shè)采用500 MW激光器實(shí)現(xiàn)質(zhì)量30 t的LOTV從LEO（Low Earth Orbit）轉(zhuǎn)移到GEO（Geosynchronous Earth Orbit），那么高功率激光推進(jìn)（HPLP）系統(tǒng)必須包括以下設(shè)備:

1）由6~10個(gè)大型激光器組成的激光設(shè)備。

2）具有自適應(yīng)望遠(yuǎn)鏡，能控制激光束方向的激光功率發(fā)射機(jī)。

3）能將激光束定向到軌道轉(zhuǎn)移飛行器的在軌二次發(fā)射機(jī)。

4）帶有接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的LOTV，用于收集激光功率，并能夠?qū)⒐β试俅味ㄏ虻郊す馔七M(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上。

5）用來(lái)控制太空任務(wù)的地面太空發(fā)射中心。

此外，20世紀(jì)80年代，在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)研制出了一款新型空間運(yùn)輸系統(tǒng)阿波羅光船（Apollo Lightcraft）。該項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)并開發(fā)航天器的所有組件，包括從飛行器總體方案到航天器發(fā)射和著陸的電子制導(dǎo)系統(tǒng)。其中重要的一點(diǎn)是在飛船上安裝激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。光船假設(shè)由發(fā)射功率達(dá)吉瓦量級(jí)的高功率天基空基激光器推動(dòng)。激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)必須在兩種推力模式下運(yùn)行：在70 km高度以下，它通過吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)工作；超過70 km則使用自帶推進(jìn)劑在火箭模式下運(yùn)行。

現(xiàn)代激光器只能產(chǎn)生幾兆瓦的功率，這種限制是由激光技術(shù)和激光設(shè)備工程技術(shù)的局限造成的。

最近，俄羅斯商人尤里·米爾納（Yuri Milner）和英國(guó)理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）突然贊成利用高能激光輻射推進(jìn)的小型飛行器進(jìn)行星際航行的想法。2016年，他們支持了突破攝星計(jì)劃（Breakthrough Starshot），目標(biāo)是利用激光輻射的空間帆向半人馬座阿爾法星系（Alpha Centauri Star System）發(fā)射質(zhì)量為1 g的納米飛行器。據(jù)推測(cè)，該飛行器將在20年內(nèi)到達(dá)半人馬座阿爾法星系，拍攝該恒星系中行星的照片，然后將這些信息發(fā)送給地球觀測(cè)者。

在不久的將來(lái)，決定任務(wù)成功與否的主要技術(shù)可能會(huì)被開發(fā)出來(lái)，涉及以下幾個(gè)方面。

1）微電子領(lǐng)域的進(jìn)展，涉及航天器的所有微單元，即相機(jī)、電源、導(dǎo)航電子等。

2）利用納米技術(shù)制造太陽(yáng)帆，使用的材料只有幾百個(gè)原子的厚度。

3）采用多個(gè)具有自適應(yīng)相位補(bǔ)償?shù)牡凸β始す馄�，研制總功率�?0~70 GW的多單元激光系統(tǒng)。

這些基于HPLP的項(xiàng)目現(xiàn)在看起來(lái)很奇幻，但它們被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)空間運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的科學(xué)預(yù)測(cè)。

激光推進(jìn)的理論基礎(chǔ)是由蘇聯(lián)院士A. M.普羅霍羅夫（A. M. Prokhorov）和美國(guó)教授安東尼·皮爾里（Anthony Pirri）在20世紀(jì)70年代早期提出的。美國(guó)和蘇聯(lián)的科學(xué)家在20世紀(jì)七八十年代進(jìn)行了許多激光推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究。在那個(gè)時(shí)候，蘇聯(lián)尤·P.雷澤（Yu P. Raizer）教授提出了高功率激光輻射條件下等離子體點(diǎn)火基本理論。激光輻射下激光等離子體和等離子體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)在產(chǎn)生推力方面起著重要作用。

在21世紀(jì)初，出現(xiàn)了激光推進(jìn)研究的第二波高潮。在這期間，每?jī)赡暝诓煌�的�?guó)家舉行的幾次束能推進(jìn)國(guó)際研討會(huì)上，研究人員討論了激光推進(jìn)存在的實(shí)際問題，內(nèi)容涵蓋從美國(guó)、德國(guó)和俄羅斯等取得的成就到新型激光推進(jìn)的應(yīng)用研發(fā)。

與此同時(shí)，這些會(huì)議討論和展示了應(yīng)用激光產(chǎn)生推力與火箭技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)，以及實(shí)際適應(yīng)性方面存在的主要問題。激光推進(jìn)可用于開發(fā)新型空間運(yùn)輸系統(tǒng)，致力于創(chuàng)建空間通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)，以及其他基于小型空間飛行器系統(tǒng)的能量和通信基礎(chǔ)設(shè)施。

遺憾的是，直到現(xiàn)在所有這些概念都沒有實(shí)現(xiàn)！激光推進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)的研究方向仍未明確。為此，本書討論了高功率激光推進(jìn)發(fā)展的主要成就以及存在的理論和技術(shù)問題。

特別是，尤·P.雷澤教授提出的激光輻射與等離子體相互作用理論被認(rèn)為可提高激光功率轉(zhuǎn)化為等離子體的效率。為確定激光推進(jìn)的最佳形式，本書分析了激光功率產(chǎn)生推力的基本物理現(xiàn)象，討論了激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和激光推進(jìn)飛行器裝配的原則，包括：

1）激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，為將飛行器發(fā)射至LEO，可在吸氣模式和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩種模式下工作。

2）帶有激光光學(xué)組件的激光推進(jìn)飛行器，收集遠(yuǎn)程激光發(fā)射的能量，并直接定向到激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

3）激光光學(xué)自適應(yīng)系統(tǒng)，通過地球大氣層輸送激光能量，控制激光束將飛行器送入地球軌道。

因?yàn)樵趤喡曀俸统�聲速模式下發(fā)動(dòng)機(jī)推力效率偏低，以及缺乏激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，高功率激光推進(jìn)系統(tǒng)的研制沒有取得進(jìn)展。其中一個(gè)復(fù)雜的問題是缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)法在高功率激光輻射下進(jìn)行激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)條件的性能測(cè)試。

這本書是一次認(rèn)真的嘗試，總結(jié)了激光推進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究積累的經(jīng)驗(yàn)，討論了激光推進(jìn)存在的現(xiàn)象、激光推進(jìn)技術(shù)、激光推進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)，以及為飛行器運(yùn)動(dòng)提供推力的高功率激光系統(tǒng)。

俄羅斯索斯諾維堡，尤里·A.羅津科夫

2021年1月