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號被火箭助推器發(fā)射到近地軌道。從那時起，包括蘇聯(lián)、美國、法國、中國和日本在內(nèi)的許多國家紛紛開始建立大型航天器發(fā)射場；向太陽系內(nèi)的行星發(fā)射空間飛行器的任務已經(jīng)實現(xiàn)；航天員也登上了月球�？梢灶A期，在不久的將來，將出現(xiàn)更多載人和無人飛行任務與探索地球以外更遠的恒星的前景空間項目。

距離1960年第一臺激光器，一種高度定向的平行電磁光束被驗證，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范圍內(nèi)工作。激光已經(jīng)在民用和海軍領域得到了廣泛應用。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)，其中一些項目涉及空間運輸系統(tǒng)，這些系統(tǒng)利用高功率激光產(chǎn)生推力。

在20世紀70年代和80年代，先后有幾個涉及激光軌道轉(zhuǎn)移飛行器（Laser Orbit Transfer Vehicle,LOTV）的空間任務項目采用了陸基或星載高功率激光推進方式。假設采用500 MW激光器實現(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（HPLP）系統(tǒng)必須包括以下設備:

1）由6~10個大型激光器組成的激光設備。

2）具有自適應望遠鏡，能控制激光束方向的激光功率發(fā)射機。

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。

4）帶有接收望遠鏡系統(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發(fā)動機上。

5）用來控制太空任務的地面太空發(fā)射中心。

此外，20世紀80年代，在美國國家航空航天局（NASA）的領導下，美國研制出了一款新型空間運輸系統(tǒng)阿波羅光船（Apollo Lightcraft）。該項目要求設計并開發(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系統(tǒng)。其中重要的一點是在飛船上安裝激光推進發(fā)動機。光船假設由發(fā)射功率達吉瓦量級的高功率天基空基激光器推動。激光推進發(fā)動機必須在兩種推力模式下運行：在70 km高度以下，它通過吸氣式推進系統(tǒng)工作；超過70 km則使用自帶推進劑在火箭模式下運行。

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）和英國理論物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）突然贊成利用高能激光輻射推進的小型飛行器進行星際航行的想法。2016年，他們支持了突破攝星計劃（Breakthrough Starshot），目標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，該飛行器將在20年內(nèi)到達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)送給地球觀測者。

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

1）微電子領域的進展，涉及航天器的所有微單元，即相機、電源、導航電子等。

2）利用納米技術(shù)制造太陽帆，使用的材料只有幾百個原子的厚度。

3）采用多個具有自適應相位補償?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的項目現(xiàn)在看起來很奇幻，但它們被認為是對未來空間運輸系統(tǒng)發(fā)展的科學預測。

激光推進的理論基礎是由蘇聯(lián)院士A. M.普羅霍羅夫（A. M. Prokhorov）和美國教授安東尼·皮爾里（Anthony Pirri）在20世紀70年代早期提出的。美國和蘇聯(lián)的科學家在20世紀七八十年代進行了許多激光推進的實驗研究。在那個時候，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)的化學反應在產(chǎn)生推力方面起著重要作用。

在21世紀初，出現(xiàn)了激光推進研究的第二波高潮。在這期間，每兩年在不同的國家舉行的幾次束能推進國際研討會上，研究人員討論了激光推進存在的實際問題，內(nèi)容涵蓋從美國、德國和俄羅斯等取得的成就到新型激光推進的應用研發(fā)。

與此同時，這些會議討論和展示了應用激光產(chǎn)生推力與火箭技術(shù)相比的優(yōu)點，以及實際適應性方面存在的主要問題。激光推進可用于開發(fā)新型空間運輸系統(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)的能量和通信基礎設施。

遺憾的是，直到現(xiàn)在所有這些概念都沒有實現(xiàn)！激光推進運輸系統(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，討論了激光推進發(fā)動機設計和激光推進飛行器裝配的原則，包括：

1）激光推進發(fā)動機設計，為將飛行器發(fā)射至LEO，可在吸氣模式和沖壓發(fā)動機兩種模式下工作。

2）帶有激光光學組件的激光推進飛行器，收集遠程激光發(fā)射的能量，并直接定向到激光推進發(fā)動機。

3）激光光學自適應系統(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。

因為在亞聲速和超聲速模式下發(fā)動機推力效率偏低，以及缺乏激光推進發(fā)動機的優(yōu)化設計，高功率激光推進系統(tǒng)的研制沒有取得進展。其中一個復雜的問題是缺乏相應的實驗設備，導致無法在高功率激光輻射下進行激光推進發(fā)動機真實條件的性能測試。

這本書是一次認真的嘗試，總結(jié)了激光推進實驗研究積累的經(jīng)驗，討論了激光推進存在的現(xiàn)象、激光推進技術(shù)、激光推進飛行器設計，以及為飛行器運動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