波束高速路

波束高速路是目前的太空飛行器自身攜帶動力源。如果用向太空飛行器傳送高強度的雷射或微波能量的方式代替燃料及大量的組件，那么太空旅行的成本將大大降低。美國國家航空航天局與美國空軍在過去幾年裡已經對"輕型太空飛行器" (lightcraft)進行了驗證，它能沿著從地面發射的脈衝紅外雷射波束飛行。這種太空飛行器的鏡面將光束聚焦成一個圓環，使其周圍空氣受熱，溫度升高到太陽表面溫度的5倍，引起爆炸式膨脹，從而產生強大的推力。

基本介紹

• 中文名：波束高速路
• 屬性：目前的太空飛行器自身攜帶動力源
• 機構：美國國家航空航天局
• 影響：太空旅行的成本將大大降低

輕型太空飛行器的誕生

美國空軍研究實驗室的富蘭克林B·米德和我採用了一種軍用10千瓦二氧化碳雷射器(每秒脈動28次)，在大約三秒內成功地把自旋穩定、直徑10-15厘米的微型“輕型太空飛行器”傳送到30米的高度。我們已經投入資金準備將雷射器的功率提高到100千瓦，飛行高度達到30千米。儘管目前的樣機還不到50克，但我們的五年目標是藉助特製的1兆瓦地基雷射器把1千克的微型衛星送入近地軌道，而且只耗費幾百美元的電量。

輕型太空飛行器的組成

目前“輕型太空飛行器”的驗證機採用普通飛機上使用的鋁製材料。它由以下幾個部分組成：頭部的減速傘(即蒙皮)，環形罩，尾部的殼光學擴口噴管。在大氣層中飛行時，太空飛行器的頭部使空氣受到擠壓後流向發動機入口處。環形罩獲得推進衝擊力。後部是一個拋物柱面聚光鏡，通過它把紅外雷射波束集中到一個環形焦點上。同時，排出的熱氣緊壓鏡子的另一面。這種設計提供了自動控制航向的功能：當太空飛行器開始偏離光束飛行時，推力方向出現偏轉，把太空飛行器推向原來的航向。1千克的“輕型太空飛行器”可以按這種設計加速到馬赫數為5，飛到30千米的高度。當空氣非常稀薄時，使用所攜帶的液氫作推進劑。

運行原理

1千克的氫足以把太空飛行器送入軌道。直徑1.4米的太空飛行器沿著100兆瓦的雷射束飛行，可以把100千克的微型衛星送入軌道。由於我們使用的是脈衝波束，因此將幾個雷射器輸出組合起來，就能輕而易舉地獲得100兆瓦的功率。這種雷射器可用於發射通信衛星，如果衛星上的電子設備老化了還能讓它們脫離運行軌道。

波束能太空飛行器

各種幾何外形的“輕型太空飛行器”都能夠沿它們的能量源飛行，而不會出現遠離或偏離情況。“輕型太空飛行器”還可以採用微波作為動力源。微波不能象雷射那樣達到如此高的功率，因此太空飛行器的尺寸相應大一些。但是微波源價格便宜得多，並且也更容易增大到較高的功率。此外，我根據其他原理，設計了一種更為複雜的波束能太空飛行器，它可用於運送乘客。由於產生推力的效率高，因而適於運載更大的載荷。

太空飛行器的聚光鏡將部分射入的波束能量集中在它前方(離太空飛行器前部的距離為太空飛行器直徑)。高溫產生的氣流脈衝使迎著太空飛行器而來的氣流改變方向，減小太空飛行器的阻力及其熱量。這種太空飛行器還利用一部分波束能量在它的邊緣處產生強大的電場以電離空氣。此外，還用超導磁鐵使這個區域產生強大的磁場。當電離空氣通過電場和磁場時，在磁流體動力作用下，氣流速度增大，從而產生推力。

磁流體推力的實驗

“輕型太空飛行器”可以通過改變其反射到前方的能量多少來調節周圍的氣流。1995年4月我在Rensselaer理工學院的極超音速衝擊波風洞驗證了氣流脈衝可以減少阻力，儘管在實驗中採用的不是雷射源而是電熱等離子炬。目前已開始進行旨在使用一種直徑為15厘米的裝置產生磁流體推力的實驗。這種由微波或1000兆瓦特脈衝雷射器驅動的一人大小的“輕型太空飛行器”能夠在50公里的高度運行，而且要獲得軌道速度也很容易。

軌道空間站構想

如果“輕型太空飛行器”由軌道太陽能動力站提供動力，那么這將是衛星運載史上的一次革命。但是，裝配軌道基礎設施的費用必須降低到每千克幾百美元以下。

為縮小這種價格上的差距，我認為可以建立第一個軌道動力站，專門用於實現低成本空間訪問。構想一種結構，類似於巨大的腳踏車輪，直徑1千米，處在500千米的軌道上。它的質量約為1010噸。巨輪緩慢的旋轉以獲得陀螺穩定性。輪子上有一個圓盤，圓盤由55塊0.32毫米厚的巨大扇形碳化矽片構成。在碳化矽片的其中一個表面上完全用效率為30%的薄膜太陽能光電池覆蓋著，這些電池可提供320兆瓦的電量(預計這些設備在十年內研製出來)。在它的另一表面上有132億個微型固態發射機，每個8.5毫米，傳送1.5瓦的微波功率。

如果使用目前大推力化學火箭將這種結構發射升空，大約需要55次，耗資55億美元(這個價格是可以承受)。動力站被能量存儲裝置包圍起來。存儲裝置由電流方向相反的兩根超導電纜組成，每根電纜的質量為100噸(這樣做可消除一根電纜產生的巨大的磁扭矩)。

動力站在兩個地球個軌道周期內，就會使系統會充上1800千兆焦耳的能量，然後將4.3千兆瓦的微波功率射向1170千米範圍內的"輕型太空飛行器"。兩根電纜間少量電流的轉移而產生的扭距指向動力站，通過"輕型太空飛行器"上的信標進行調節。信標向動力站的發射機傳送一種控制信號，使發射場產生一個10米直徑的圓點。"輕型太空飛行器"在5分鐘內就能進入軌道，乘客的過載值與飛船上太空人所承受的大致相同，不超過3g。要是宇宙發電站在54秒內把能量全部發射出去，能夠產生將近20g的垂直加速度，使太空飛行器獲得同步軌道速度甚至逃逸速度。

第一個軌道太陽能動力站的建立將為軌道站工業的發展奠定基礎。未來幾十年，這些軌道空間站的出現將使人類快速地、低成本到世界、月球乃至更遠的地方旅行成為可能。