突破攝星是利用激光轟擊太陽帆推進,帆面直徑超過300米,探測器隻有1厘米大小,僅1克重量,利用大功率激光照射推進,計劃在20年内加速到15%至20%的光速。從2016年至今,也已經3年時間過去了,那麼太陽帆技術已經發展到什麼程度?霍金生前夢想是否能夠實現呢?
出品:太空伊卡洛斯
2016年4月,俄羅斯風投資本家尤裡-米爾納與物理學家霍金聯合宣布一項名為突破攝星的計劃,尤裡-米爾納出資1億美元資金啟動,研發可前往半人馬座阿爾法星的航天器,預計花費20年的時間研發成功,第一艘飛船在2036年升空。根據工程設想,突破攝星的計劃下的航天器動力采用激光帆推進,由地球上直射出強功率激光,精确并持續擊中航天器上的反射帆面,利用激光推動,預測速度可達到15%至20%的光速。該理論是太陽帆技術的升級版,直接采用地面激光照射推動,大大提升了航行效率。從2016年至今,也已經3年時間過去了,那麼太陽帆技術已經發展到什麼程度?霍金生前夢想是否能夠實現呢?
圖注:太陽帆與古代大海航行使用的風帆原理相似
圖注:霍金設想的激光推進太陽帆原理
行星協會小步快跑在太陽帆研發領域,日本和美國處于領跑位置,日本在2010年發射了IKAROS太陽帆驗證航天器,成為第一個實現行星際飛行的太陽帆飛船,完成對金星的飛掠。美國行星協會研發的LightSail 2航天器在2019年6月升空,任務時長為1年,也是利用太陽光壓作為動力,目前已經處于700多公裡高度的軌道上。與IKAROS太陽帆驗證航天器不同的是,LightSail 2航天器任務設計在近地軌道上,并非進行行星際航行。
圖注:LightSail 2航天器地面展開
今年8月1日,行星協會宣布LightSail 2航天器在4天内提升了2公裡的軌道高度,全程依靠太陽光壓作為動力,這不僅說明太陽帆理論是正确的,而且具備實際操作能力,即便在近地軌道上也可以利用光壓進行飛行。
圖注:LightSail 2航天器基本參數
LightSail 2隻有32平方米的帆面,效果已經如此顯著,更不用說将來更大的激光帆面所帶來的速度提升。LightSail 2航天器基本驗證了有光就能航行的理論,加上IKAROS航天器的成就,我們已經具備在太陽系内進行太陽帆飛行的能力,标志着太陽帆從理論進入工程實施、并逐漸成熟階段。
光壓理論與帆面技術太陽帆使用太陽輻射壓力推動航天器前進,涉及到的是動量守恒原理。由于輻射壓力大部分情況下不被關注,因此在早期航天活動中經常被忽視,即便是NASA也在輻射壓力方面犯了嚴重錯誤,忽略了太陽輻射壓力對火星探測器的影響,導緻火星探測器偏離軌道1.5萬公裡。在太陽系内,太陽輻射壓力處于較為顯著的地位,随着時間的拉長,太陽輻射壓力效果就會體現出來。
圖注:太陽帆基本原理
太陽帆技術最核心的當然是帆面材料,由于光壓基本是确定的,距離太陽越近,那麼輻射壓力越大,舉個例子,在水星軌道附近的輻射壓力必然大于在火星軌道附近的輻射壓力,每平方米倍數可相差20倍。換句話說,水星軌道附近的每平方米太陽輻射壓力是火星的20倍左右,兩者相差了将近1個天文單元。随着與恒星距離拉長,光輻射壓力也逐漸降低,如果航天器抵達另一顆恒星附近,可通過改變太陽帆角度實現逆光航行,這與大海上逆風行駛的帆船原理是一樣的,在逆風的時候,帆船通過之字形航線進行前進。同理,太陽帆飛船可以通過之字形航迹前進。
要想獲得更快的速度,就要加大帆面和降低帆面質量。目前最常見的帆面材料為聚合物,比如LightSail 2航天器上使用聚酯薄膜作為帆面材料,表面上則鍍上一層金屬材料,增強反射性能。不過随着材料技術的進步,聚酯薄膜材料也不算最先進的,隻能說是性價比比較高的,因為聚脂薄膜的單位質量太大,以5微米厚的聚脂薄膜為例,每平方米質量為7克,如果是新型碳纖維材料,每平方米質量還小于3克。表面鍍的金屬物質可以是鋁、也可以是锂、鎂等金屬,或者采用多金屬合金。由此可見,帆面技術正在不斷前進,向輕量級方向發展,面積更大,可達到數十至上百方平米。
圖注:LightSail 2航天器軌道展開太陽帆
距離霍金生前夢想又進一步霍金生前夢想是利用激光轟擊太陽帆推進,帆面直徑超過300米,探測器隻有1厘米大小,僅1克重量,利用大功率激光照射推進,計劃在20年内加速到15%至20%的光速。該計劃涉及三個核心要素,第一個是大功率激光,這一點技術比較成熟,NASA也驗證過地月間的激光精确指向技術;第二個帆面,聚脂薄膜輕質帆面目前也能用,但為了追求更好的效果,需要新型碳纖維材料的帆面,該技術已經存在,但要工程化、生産出産品,還需要時間;第三,迷你航天器,質量為亞克級,搭載一台迷你相機,設計到的技術較為先進,還需要十多年時間解決。行星協會的LightSail 2航天器目前已經将太陽帆全部展開,材料為銀色的聚脂薄膜,反射率非常高,如果條件合适的話,在地球上可以用肉眼看到,大約相當于一顆微弱的恒星,移動速度較快,可肉眼識别。
圖注:未來自帶動力的太陽帆飛船
綜上,漸入佳境的LightSail 2航天器讓太陽帆航行進一步變成可能,太陽帆技術也是目前人類能夠進行星際航行最快、最成熟的技術。相比較于核聚變等動力裝置,利用太陽帆可省去很多技術瓶頸,我們唯一要做的就是研制太陽帆,更好、更輕,動力交給太陽解決就好,有光就能航行!
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