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。

  目前,太阳帆的帆面被控制在数十平方米这个级别,超过100平米的帆面还处于研制之中。根据计算,帆面直径扩大至300~400米,面积在数万平方米,这样就能在短时间内产生可观的加速度。如果这是一艘质量为1吨重的航天器,那么前往火星的旅途差不多在350~400天左右。也可以进一步扩大太阳帆的面积,这样可获得更大的加速度。于是就出现了一个新的问题,帆面的面积并不可无限增大,数微米厚度的帆面在数万平方米上要保持足够的强度仍然需要在材料学上有所突破。

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太阳帆

  同时,太阳帆还需要应对空间微流星的问题,一旦微流星撞击帆面,那么后果是非常严重的。因此,太阳帆在结构上需具有抗微流星撞击的能力,即便部分帆面被击穿而失去效能,也能够利用剩余的帆面继续前进。毕竟,太阳帆探测器的未来要用于星际航行,一旦失去帆面,那么这艘飞船就面临失去动力的危险。

图5.“伊卡洛斯”号的任务细节通过二次展开实现帆面部署

“伊卡洛斯”号的任务细节通过二次展开实现帆面部署

太阳帆的未来应用前景

  太阳帆的应用前景令人激动,该技术已经被美国宇航局列为未来100年内有望实现的行星际空间飞行动力,至少在火星任务中可以使用。日本的“伊卡洛斯”号探测器已经实现了行星际空间飞行,在2010年时飞抵金星,并从距离金星表面80000公里的高度上掠过,目前,探测器已经进入扩展任务阶段。在“伊卡洛斯”号之后,美国宇航局也提出了Sunjammer太阳帆探测器项目,帆面达到1200平方米以上,这是目前最大的帆面设计,不过该计划还处于推进之中。美国宇航局的另一艘Nanosail-D太阳帆动力探测器的总重量仅为30公斤,帆面材料为聚酰亚胺薄膜。

图6.一种更大太阳帆飞船的想象图

一种更大太阳帆飞船的想象图

  目前,这几艘太阳帆飞船是帆推进技术的应用典范,预计在本世纪中叶,太阳帆有望成为一种比较成熟的行星际探测器动力。比如前往木星、冥王星等都可以利用太阳帆,反向进入金星轨道也可以通过改变角度来实现逆光飞行。由于太阳帆受到帆面大小的制约,大质量的航天器暂时还无法使用太阳帆飞行,如果到本世纪末,或许在火星与地球之间建立的行星际交通网就有可能采用太阳帆实现载人摆渡,因此,该技术真正考虑用于太阳系外的载人探索还需要更长的时间。

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