太空技術新突破 光子火箭推進器可望成真

小朱仔

大概在35年前就被工程師想像過的「光子火箭推進器(photonic thruster)」可望成真。日前在一場於美國加州舉行，由美國航空和太空學會(American Institute of Aeronautics and Astronautics)舉辦的2007年度太空技術研討會上，工程師介紹了一種以雷射火箭推進器所構成的實驗性太空梭推進系統。

: L4 J8 v8 p& m8 ~6 F" X, v今年初，由美國太空總署(NASA)所贊助的光子雷射推進系統(photonic laser propulsion，PLP)進行了成功的測試。而在太空技術研討會上所進行的展示，是由位於美國加州Tustin的Bae Institute及其創始人Young Bae所主持；Bae曾擔任SRI International、Brookhaven國家實驗室以及美國空軍研究實驗室的科學家。
, a. J. N/ Y* X- p+ [, |
Bae表示已經消除將光子火箭推進器應用於太空梭的最後障礙。其他的相關設計所面臨的問題，一直就是其推力非常小，以及難以用雷射去對準推進方向的問題。Bae表示，已透過把光共振腔(optical cavity)整合在一種限制定向光子(beamed photons)的雷射之中來解決這些問題，並因此把它們的光線壓力放大了3,000倍，好能在太空中輕易地對準中央部位的雷射。

「我們的光子雷射推進器的基礎，是由分別放置在兩個太空站(space platforms)的高反射係數的鏡面之間，所形成的主動共鳴(active resonant)光共振腔；」Bae表示：「而技術的突破，是在PLP中的雷射增益媒介(laser gain medium)，實際上是位於光共振腔之中；而過去的失敗案例，在於企圖設計一種被動的共鳴腔，而其雷射增益媒介是位於光共振腔的外部。」
, p; L4 V6 Y2 d/ T  r$ q
9 F5 B# _, h5 B2 J: i3 f/ W起初，PLP設計工程師設想採用大型地面雷射來產生足夠的強度，並做為推進時的捕手(backstop)；後來又轉向採用在太空間中的被動光共振腔。但不幸的是，這些設計沒有一個能夠展示足夠的推進力。
. c' E: l! h  X. @
相較之下，Bae利用可在太空運作、不會因為通過地球大氣層而衰減的小型、廉價雷射，證明其主動光共振腔能夠提供數個毫牛頓(milliNewtons，mN)的推力。這種設置在太空中的雷射平台會發射光束來推動太空船，同時利用在相反方向的平衡光束、或是附著於雷射平台的傳統推進器來保持中央的雷射固定不動。

: L) }: D9 u5 S' Z$ s8 V對於在地球軌道上的使用，Bae聲稱太空中的衛星再也不需要為它們自己的反推進火箭(retro-rocket)特別設計電源，而是可以利用位於中央的雷射平台，以其雷射光束提供時常同步的輕推作業，以保持衛星在軌道上的位置。

而對於深入太空的任務，由光線壓力產生的微弱推力會隨著時間的推移而增加。因為當利用光子動力時不存在燃料耗盡的問題，太空船僅僅需要鏡面來反射雷射光，一旦雷射光打開，它能夠根據需要盡可能維持運作，以持續地加速太空船，使之達到理論的速度極限──光速。

! k# d5 J: ^; {$ A+ z: J8 c9 GBae表示，採用傳統的火箭從地球到火星需要6個月，但採用光子推進器，太空船可能只需要一星期就能抵達火星。
$ t- z: a/ N/ _# T5 b, z6 E
% o/ _5 s' F- J' I0 S1 q「對mN等級的低推動力應用，如小型的太空船，我們的展示原型機所獲得的推力是足夠的；」Bae表示：「而對於N量級推力的較大型太空船應用，我們計劃增加現有PLP引擎的推動力；我們相信在幾年內能夠實現。而對於kN量級的更大推力應用，我們計劃研究新的基礎技術，如太空核子動力雷射系統。」