神通激光

第二節 飛向太空的時刻

　　1961年4月12日，前蘇聯“東方1號”載人宇宙飛船進入環繞地球的軌道飛行，宇航員加加林飽覽了地球的風采。他麵對美麗迷人的蔚藍色地球，不禁吹呼起來：“啊！地球，我終於看清了你的全貌！”

　　1969年7月16日，美國“阿波羅11號”載人宇宙飛船登上月球，宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林站在月球上，遙望“故鄉”的壯麗景象：一個比在地球上看到的月亮大十幾倍的蔚藍色巨球，看上去似乎一動不動地懸掛的空間。月球上的夜晚比地球上的夜晚要亮80倍，在“地光”（太陽光被地球反射到月球上的光線）下看書寫字，十分清楚……

　　從那以後，宇航員們一批又一批地到太空“出差”。人們期望著：有朝一日登上火星去考察，飛向更遙遠的星球去探險。

　　我們知道，要飛往太空並登上別的星球，必須具備兩個最基本的條件：一個是宇宙飛船，這是飛往太空和地球以外的星球的交通工具；另一個是通信係統，這是時刻與“故鄉”保持聯係的必要設備。那麽，在未來的宇宙航行中將采用什麽樣的最先進的宇宙飛船和通信設備呢？科學家們認為，激光是最有希望的技術手段。

　　對未來的宇宙飛船，科學家們作出了種種設想，如量子飛船、光子飛船、原子能飛船、太陽帆飛船、等離子體飛船及α粒子動力飛船等。太陽帆飛船是麥克斯韋提出的預言，它是以太陽的壓力為動力，太陽光線就好像“宇宙風”一樣，推動著宇宙飛船的“船帆”而使飛船前進。

　　自從方向性極強的激光問世以後，科學家們又預言；激光可以作為未來宇宙飛船動力。如果太陽光線能夠給宇宙空間裏自由飄蕩的物體加速的話，那麽，激光這樣強大的輻射光束也完全可能給宇宙飛船加速。科學家們認為，實現激光動力飛船的可能性，不會比實現前麵設想的種種飛船的可能性小。從物理學的觀點來看，各種發動機無非是利用反作用力，激光發動機的反作用力可以由具有質量的光子產生。

　　近些年來，美國的雷塞萊爾波利特查尼克研究所著手研究以激光為動力，推進航天飛行器的飛行，已經取得卓有成效的結果。

　　激光航天飛行器的全部推進動力是由遠距離發射的激光光束供給的。用遠距離動力激光光束代替了普通火箭液體燃料以後，航天飛行器幾乎不需要自身攜帶推進劑，因而就能夠提供更多的有效載荷，也就是說，把省下的力量用來載人和各種儀器設備。

　　激光航天飛行器發射時，由航天器前部的橢圓形主反射鏡接收動力激光光束，並把激光光束聚焦到屏蔽罩下的一個圓麵積環內，再由第二反射鏡把激光光束聚焦到航天器尾部，這時的光束強度已經非常高，因而引起空氣電擊穿，形成從航天器尾部向後去的衝擊波，於是，就像噴氣式飛機那樣，航天飛行器在衝擊波反作用下向前飛去。航天飛行器的動力激光是由空基自由電子激光器提供的，通過軌道衛星中繼反射鏡傳輸，恰如接力賽跑傳遞接力棒，中繼反射鏡把光束傳給航天飛行器，這樣航天飛行器不斷得到動力，就繼續向前飛行。

　　這種激光航天飛行器實際上就是激光飛船，它以激光為動力往返於地麵與空間軌道站飛行，來回運送人員和器材，實現空間研究和製造。它起飛像火箭，垂直而起；返回大氣層時又像飛機一樣，滑翔到地麵作水平著陸。它不需要火箭發射，也不使用火箭燃料，費用低廉，其發射費用僅為航天飛機的0.1%，每公斤有效載荷6-9美元。

　　激光航天飛行器的研製得到美國航天航空局的支持，進展很快。預計21世紀初，“水星號”、“雙子星座號”和“阿波羅號”載人激光航天飛行器將發射使用。

　　飛往以光年計算距離的遙遠的天體，人類必須擁有接近於光速的宇宙飛船。隨著激光在航天器和飛船方麵應用研究的突破和不斷進展，宇宙飛船的速度逐步逐步地提高，將來終究會達到接近光速的速度，也許這就是未來的激光飛船或光子飛船。

　　近30多年來，空間技術發展很快，宇航員一批又一批地乘坐宇宙飛船，出出進進於宇宙空間，甚至在籌劃女宇航員到火星去訪問。這樣，伴隨而來的另一個問題擺在人們麵前：怎樣保障宇航員與“故鄉”——飛船與地球之間的可靠的通信聯係呢？

　　人們發現，電子通信技術並不十分可靠。1964年，美國把一艘“觀察飛船”送往火星，試圖測定火星大氣的組成和密度。可是，飛船進入火星大氣層以後，卻斷絕了與地球的聯係，因此沒有能夠得到有關火星大氣組成和密度的數據資料。

　　這是怎麽回事呢？

　　我們知道，當宇宙飛船返回地球時，由於飛船飛行速度非常快，飛船殼體與地球周圍稠密的大氣層摩擦而被急劇加熱，於是，飛船周圍的氣體被離子化，形成包圍飛船的高溫等離子區城。這個高溫等離子區域把飛船及飛船上的高頻無線電通信器件完全“裹住”，離子化氣體含有高密度的自由電子，具有導電性，因而成為無線電波的隔離層。無線電波或者被它反射，或者被它吸收，因此，無線電通信完全斷絕。

　　宇宙飛船與地麵聯係突然中斷了！在飛船返回經過大氣層這極重要的瞬間，宇航員急需得到地麵的指示和幫助，地麵也必須控製飛船返航和掌握可能突然產生的變化，然而，電子通信係統卻無可奈何！

　　這個問題太重要了！人類要實現飛往地球以外的星體——火星、金星、木星，必須解決飛船周圍形成等離子屏蔽層的問題，因為那些行星和地球一樣，都有它們自己的不同密度的大氣層。如果不研究出某種特殊辦法，當宇宙飛船遠離“故鄉”進入那些行星“管轄”的大氣層時，就無法和“故鄉”保持聯係了。

　　這樣，宇宙飛船及其他以超音速進入大氣層的飛行體的通信，便成了重要的研究課題。針對這一問題，科學家們研究出了種種解決方法，如采取對等離子層具有最優良透過性能的、最適當的頻率範圍，選取適宜穿過大氣層而隻形成薄薄的等離子層的飛行體外形等。我們都有這樣的經驗，頂風向前跑的時候，臉部和胸部受風吹最厲害；騎摩托車的人都要戴上頭盔來防風，伸在前邊的手也要戴上手套。飛船及其他飛行體與大氣的摩擦也是這樣，譬如說，為了使等離子層的厚度減小，要使飛行體的頭部形狀變尖，天線最好裝在遠離頭部之處；為了減小等離子層自由電子的濃度，往頭部附近的氣流中噴入一種能降低氣體溫度、使氣體的電子和離子重新結合的物質；為了在天線附近形成一個不受等離子區域影響的部分，利用水來冷卻飛行體表麵，等等。但是，這些方法，說起來容易，做起來卻很困難，而且多半要增加宇宙飛船的重量，也不能保證飛船進入大氣層時能夠與地麵進行穩定的通信聯係。

　　於是，人們就求助於“萬能的激光”。實踐表明，利用激光光束，在宇宙飛船飛行中進入大氣這一重要時刻，依然能夠保持飛船與地麵之間的通信。盡管還有一些難題要解決，但是，可以確信，激光是在宇宙飛船的整個飛行期間內保證飛船和“故鄉”之間穩定可靠的通信的最佳選擇。