太阳帆探测器何时能启航?

作者:谢顿来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-07-12

太阳帆从字面解释上看属于一种帆型航天器,不使用传统的火箭发动机,因此也省去了大量的燃料空间,能够携带足够的货物或者仪器设备。太阳帆的工作原理非常简单,即利用太阳光对帆面产生的压力前进,俗称光压。根据光的粒子性特点,撞击帆面能够推动航天器前进,就像古人在大海上使用的船帆,这也是“太阳帆”命名的来源。

  美国太空网于近日报道了一则太阳帆探测器成功部署的消息,这艘太阳帆探测器被命名为LightSail,属于立方体卫星,体积很小,但帆面的面积却很大,达到344平方英尺,大约为32平方米。LightSail的主要任务是验证太阳帆技术的可行性,为2016年的任务做准备,届时,LightSail探测器将开启第二阶段行程,实现行星际太阳帆航行。不过,在LightSail任务期间发生了一次比较严重的故障,升空仅仅两天的探测器突然死机,探测器并没有向地面发送数据信号,接着就是长达8天的杳无音信。幸运的是,LightSail探测器成功重启了星载计算机,飞行控制软件升级后还算能满足任务需求。

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LightSail任务主要验证太阳帆技术的可行性,为2016年的任务做准备,届时LightSail探测器将开启第二阶段行程,实现行星际太阳帆航行

太阳帆的飞行原理

  太阳帆从字面解释上看属于一种帆型航天器,不使用传统的火箭发动机,因此也省去了大量的燃料空间,能够携带足够的货物或者仪器设备。太阳帆的工作原理非常简单,即利用太阳光对帆面产生的压力前进,俗称光压。根据光的粒子性特点,撞击帆面能够推动航天器前进,就像古人在大海上使用的船帆,这也是“太阳帆”命名的来源。事实上,太阳光的光压可以通过几个常见的天体物理现象来发现,比如彗星在通过近日点附近时会出现大量的表面物质蒸发,太阳光粒子撞击在彗星表面蒸发的气体上会改变彗尾的方向,不论彗星靠近太阳还是远离太阳,彗尾的方向总是固定不变的,那就是远离太阳的方向。

图2. 太阳帆的工作原理非常简单,利用太阳光对帆面产生的压力前进,俗称光压

太阳帆的工作原理非常简单,利用太阳光对帆面产生的压力前进,俗称光压

  同理,太阳帆也是利用光粒子的定向性产生推动力,每个光粒子都具有一定的动量,当光粒子撞击在太阳帆面时就会产生反作用力。根据动量守恒定律,光粒子的动量就会转换为航天器前进的速度。不过由于光粒子的质量非常小,即便光粒子接近光速前进,但动量值也小得可怜,但如果大量的光粒子撞击帆面,那效果就非常可观了,太阳帆探测器就是利用这个原理产生前进的推力。

图3.日本“伊卡洛斯”号(IKAROS)太阳帆飞船的飞行路径

日本“伊卡洛斯”号(IKAROS)太阳帆飞船的飞行路径

太阳帆探测器所遇到的技术瓶颈

  在上个世纪20年代,太阳帆的概念就已经被提出,当时的一位名叫齐奥尔科夫斯基科学家认为利用太阳帆能够在宇宙中航行。他是一位顶尖俄国科学家,也是世界上最著名的航天领域先驱者,他奠定了现代宇宙航行的理论基础。太阳帆的概念在目前已经发展了近一个世纪,目前已经进展到发射太阳帆探测器工程验证阶段,至少走出了理论层面。在太阳帆探测器领域,走在最前面的应该是日本宇宙航空研究开发机构,其研发的“伊卡洛斯”号(IKAROS)太阳帆飞船于2010年升空,同时发射的还有“破晓”号金星探测器。自那时起,“伊卡洛斯”号成为世界上第一艘成功部署太空的太阳帆探测器。

图4.“伊卡洛斯”号上的帆面积为14平方米,厚度仅为7.5微米

“伊卡洛斯”号上的帆面积为14平方米,厚度仅为7.5微米

  “伊卡洛斯”号的成功与其技术成熟度是分不开的,太阳帆探测器的关键在于帆面材料的研发。“伊卡洛斯”号上使用的帆面由聚酰亚胺树脂制造而成,尽可能降低帆面质量。当然并不是说聚酰亚胺树脂被制造出来就能够用于太阳帆的制造,其中还有很多工序需要完成。这就像打造一面镜子容易,但用于望远镜的制造却又需要一次技术飞跃。太阳光粒子的质量非常低,要想获得足够的加速度,一方面是增加帆面的面积,另一个方面是降低航天器的质量。帆面的面积增大也不是随意为之,“伊卡洛斯”号上的帆面的面积为14平方米,厚度仅为7.5微米,将聚酰亚胺树脂材料加工到这个级别显然需要足够的加工工艺。

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