太阳帆航天器 如何“扬帆”(组图)

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美国研制的太阳帆飞行示意图 美国研究人员正在研制携带“光帆1号”B的“下月1号”卫星。 士元 新闻背景 太阳帆,是自身不携带发动机,完全以太阳光作动力的航天器。 今年5月,美国拟用宇宙神5号火箭发射“光帆1号”A太阳帆航天器,它主要用于测试姿态控制

太阳帆航天器 如何“扬帆”(组图)

 

美国研制的太阳帆飞行示意图

太阳帆航天器 如何“扬帆”(组图)

 

美国研究人员正在研制携带“光帆1号”B的“下月1号”卫星。


士元
新闻背景
太阳帆,是自身不携带发动机,完全以太阳光作动力的航天器。
今年5月,美国拟用宇宙神5号火箭发射“光帆1号”A太阳帆航天器,它主要用于测试姿态控制和通信的技术,但不进行星际旅行。2016年,美国还将发射“光帆1号”B太阳帆航天器,它将飞得比较远。这两次任务成本为450万美元,完全由私人资金支持,如果成功,后续的太阳帆航天器将试着飞出太阳系。
科幻小说里产生的概念
自从1957年10月4日前苏联发射第1颗人造卫星,标志着航天时代到来以后,每个被发射上天的航天器都自身携带着化学燃料、电能或核燃料。然而近些年,一些航天科学家一直在研究如何利用比风更可靠、更自由的太阳光粒子,使其成为探测器的动力。
实际上,太阳帆概念很早就产生了。第一个现代意义上的太阳帆概念产生于19世纪法国著名科幻小说家朱尔斯·凡尔纳的小说《从地球到月球》(1865年)中,朱尔斯·凡尔纳的思想无疑为苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作奠定了基础。19世纪70年代,麦克斯韦发现光是由非常小的粒子(即我们现在所称的“光子”)构成的能量包组成。光子对任何物体都会产生作用力,向物体撞击并反弹出去。尽管这种碰撞产生的能量非常小,但是由于太阳发出的光子的数量是相当大的,因此,最终这些光子能推动像太阳帆那样的物体前进。
20世纪20年代,前苏联科学家首先开始了关于把太阳帆用于行星际航行的研究,还为此著书立说。20世纪五六十年代,在新一代科学家、工程师及科幻小说家的努力下,这种思想重新复苏。1964年科幻小说家阿瑟·C·克拉克出版了著名小说《来自太阳的风》,讲述了一艘国际载人太阳帆飞往月球的故事。而在这时,美国航空航天局开始认真考虑太阳帆概念,并着手进行了一些研究。
太阳帆是一种没有携带发动机、以太阳光作动力的航天器。传统的航天器是由其内部能量燃烧所产生的冲力来推动的,而太阳帆仅仅由被其巨大的、像镜子一样的帆反射的光子来推动。
太空中的“永动机”
对于一个行星际太阳帆来说,其速度的大小将依赖于它被光压推动的时间的长短。太阳帆在其飞行的最初阶段速度相当慢,如果以这种速度飞行,可能要花一年时间才能到达月球,而当年“阿波罗”载人登月飞船使用常规推力只需3天就到达了月球。
但是,太阳帆的真正优势在于,它不像化学火箭那样,推力只能持续短暂的时间,太阳光对太阳帆的推动是一直持续下去的。太阳帆会不断地加速,所以最终比其他探测器更快。从理论上来说,一个行星际太阳帆不出5年就能到达冥王星。而相比较而言,美国探测冥王星的“新地平线”探测器使用化学推进及从木星那里得到的引力辅助,计划要用9年时间才能到达目的地。
为了能使太阳光提供足够的光压,太阳帆必须尽可能多地捕捉到太阳光,这就意味着帆的表面积必须很大,在20世纪70年代美国探测“哈雷”彗星的太阳帆计划(后来取消)中,帆的面积设计为60万平方米,大约有纽约市的10个街区大。
如果由于离太阳越来越远而使太阳帆加速度变小,一些科学家提议用激光推动其前进,虽然这一想法在目前的技术和资源条件下还无法成为现实,但是如果在未来的某一天,太阳帆要带着人类飞往其他恒星星系,就得用激光,因为一旦飞出木星轨道,太阳光压就会非常弱。
日本“风筝”已飘向太阳
近年来,日本和美国已多次在太空进行太阳帆试验。2005年6月21日,世界上第一个大型太阳帆—“宇宙1号”由前苏联遗留下来的SS-N-18型洲际弹道导弹改装而成的波浪号火箭从水下潜艇发射升空。“宇宙1号”太阳帆由美国行星学会投资,俄罗斯负责建造。然而,由于运载火箭故障,这次太阳帆试验最终失败。
经过许多失败的教训,2010年5月21日发射的日本“伊卡洛斯”太阳帆获得了成功,它已飞过了金星,并继续向太阳飞去。
“伊卡洛斯”是世界第一个成功使用太阳帆技术的深空探测器,它是一个高1米、直径1.6米的筒状小型航天器, 采用直升机式构型。它在太空释放后,卷在航天器上的超薄膜太阳帆,通过转动圆柱形机体所产生的离心力徐徐展开,并形成边长14米、对角线距离为20米、厚度仅0.0075毫米的正方形帆面。帆面上面还嵌有一些25微米厚的硅薄膜太阳电池,它们占总帆面面积约5%,预计产生500瓦电能。这些电能除用于验证薄膜太阳电池的功能外,还为所携带的设备供电。“伊卡洛斯”的总质量为315千克,其中帆面的质量为15千克。
值得注意的是,“伊卡洛斯”是逆太阳风飞行的,所以它通过调整太阳帆和太阳光照射的夹角来实现“曲线前进”。
太阳帆有望飞出太阳系
虽然经历过“宇宙1号”太阳帆的失败,但美国行星学会对研制太阳帆仍自信满满。
美国行星学会计划于2015年5月先用宇宙神5号火箭发射“光帆1号”A太阳帆航天器。“光帆1号”A在长达4个星期的测试中运行在较低的轨道,主要进行展开太阳帆、姿态控制和对地通信等试验,监测太阳帆,将图像传回地面。其形体只有一个面包大小,升空后展开成4块三角形薄膜,拼成一个正方形帆面,面积可达到32平方米,应该可以为地面肉眼看见。如果一切顺利,将在几天后试着打开,调整姿态,并且传回数据。
2016年将发射的“光帆1号”B运行轨道较“光帆1号”A高。它将装在乔治亚理工学院研制的“下月1号”卫星中,由猎鹰9号火箭发射到距地面720千米的轨道上。然后,“下月1号”卫星在轨释放出“光帆1号”B,并停在附近监视它展开太阳帆。“光帆1号” B展开之前的形状类似一个长条面包,重约5千克。其太阳帆采用一种聚酯薄膜制成,厚度为普通垃圾袋的1/4左右,约4.6微米,展开后是一个边长5.5米、由4个三角形组成的正方形,面积约32平方米。
美国行星学会还将研制比“光帆1号”飞得更高、更远的“光帆2号”和用于太阳气候监测的“光帆3号”。如果一切顺利,太阳帆有望成为人类飞出太阳系的主要工具。
长期以来,人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖,找到新的动力方式,实现人类遨游太空的梦想,而利用太阳能来进行太空航行的太阳帆推进航天器,代表了人类未来太空飞行的技术,它将在开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步。

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