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太阳帆飞船可以探索太阳系之外

2010年6月,一台小型圆柱形太空相机从日本新的太阳帆上脱离,拍摄了一些前往金星及更远地区的任务照片。

早期的探险家通过在船上绑上大块的布,利用风穿越海洋。现在,现代太空探险家希望用船帆将航天器送往太阳系的遥远地区和更远的地方。

这些帆将由大而超薄的塑料片制成,这些塑料片将利用阳光而不是风来推动。

光粒子或光子从反射表面反弹时会施加较小的压力。自从苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦在19世纪60年代证明光会施加压力以来,太空探索的梦想家们就一直在谈论太阳航行。最近,令人兴奋的新发展正在使他们的愿景成为现实。

5月,日本宇宙探索机构成功发射了IKAROS,这是第一艘在太空中使用太阳能帆推进的航天器。这艘宇宙飞船于6月完成了帆的展开,现在正在太阳压力下驶向金星。

另外两次太阳帆发射即将到来:美国国家航空航天局计划在今年秋天发射一次太阳帆,而非营利的行星协会计划在2011年发射。

7月,在纽约市理工学院举行的第二届太阳能航行国际研讨会上,来自世界各地的60名专家一致认为,“太阳能航行技术在太空飞行操作中是可行的。”该小组建议加快该技术的开发和测试。

行星学会执行主任路易斯·弗里德曼说:“太阳航行是我们地球上唯一已知的技术,有一天会把我们带到恒星上。”

阳光照耀下的船帆

科学家表示,水手推进的航天器可以用于监测地球,也可以在太阳附近悬停,研究太阳风暴和耀斑。它们还可以用来调整环绕地球的卫星的轨道。

但它们的真正潜力可能在更远的地方:专家们认为,太阳帆是探索太阳系外缘和有朝一日其他恒星的最佳推进系统。这是因为与火箭不同,这些航天器不需要燃料,只要光线照射到它们身上,它们就会不断地获得速度。太阳能帆可能比火箭发动机更快地推动航天器。

美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心高级概念办公室副经理莱斯·约翰逊说:“如果你想真正快速地到达太阳系的外缘,你就需要使用太阳帆。”“在化学系统中,火箭在你到达那里之前很久就会耗尽气体。有了太阳能帆,只要你有太阳,你就可以继续前进。”

如今的太阳能帆通常由镀铝塑料膜制成,厚度只有垃圾袋的一小部分。其他轻质材料,如氧化铝或碳纤维也在测试中。

为了尽可能多地从阳光中获取压力,帆需要很大。行星学会的宇宙一号原型帆由于火箭故障而没有进入轨道,其表面积为6500平方英尺(600平方米),大约是篮球场的1/2大小。

要想到达太阳系的边缘,需要非常大的帆。约翰逊设想下一代船帆必须在一侧几百米处。它们将被部署在靠近太阳的地方,以获得推力并建立巨大的速度,这样它们就可以在太阳系的其余部分滑行。

科学家估计,在三年内,太阳帆的速度可能达到每小时15万英里(24万公里)。以这样的速度,它可以在不到五年的时间内到达冥王星。美国国家航空航天局的旅行者号宇宙飞船花了12年多的时间才达到类似的距离。

美国国家航空航天局的“新视野”号任务是最新一艘驶向冥王星的航天器,它将使用火箭推进和重力辅助机动相结合的方法,历时九年才能到达目的地。

弗里德曼认为,在未来10年内,一艘用于探索太阳系边缘柯伊伯带太空岩石区域的帆驱动航天器是可能的。

但在木星轨道之外,来自太阳光的能量变得太弱,无法保持船帆加速,因此要超越太阳系,飞船可能需要额外的推力。为此,他说,光可以由放置在太阳系中点绕太阳轨道上的太阳能激光器提供。

1974年,美国国家航空航天局首次测试太阳航行的概念,并将其设计用于飞越金星和水星的水手10号宇宙飞船启航。当飞船的方向需要改变,并且喷气式飞机的气体耗尽时,控制器将其太阳能电池板转向太阳,并随着太阳压力改变飞船的方向。

2001年至2005年间,美国国家航空航天局建造了两个66英尺(20米)长的帆,并在真空条件下成功地在地面上进行了测试。但这些项目的资金在2005年告吹,它们再也没有飞起来。

大约在同一时间,名为立方体卫星的价格合理的紧凑型纳米卫星出现在现场,为发射太阳帆提供了一个低成本的机会。

结果是NanoSail-D,这是一个侧面10英尺(3米)长的菱形帆,由四个三角形叶片制成,装在一个10磅(4.5公斤)重的航天器中,大约有一个飞机随身行李大小。2008年,太空探索技术公司的猎鹰一号火箭发射了NanoSail-D,但未能进入轨道。

位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心的科学家计划在今年秋天再次发射NanoSail-D。与此同时,行星学会正在建造LightSail-1,这是一个340平方英尺(32平方米)的帆,重量将小于11磅(5公斤)。

在今年日本IKAROS宇宙飞船发射之前,还没有在太空中部署过主要用于推进的太阳能帆。IKAROS有一个太阳能帆,它利用Ssun的压力进行推进,并嵌入薄膜太阳能电池来产生额外的电力。

33英尺(10米)长的方形船帆被展开,由于船的旋转运动和四个角上的重物,它保持了平坦。弗里德曼说,这是日本设计的独特之处,他称此次任务是“向太阳帆飞行迈出的伟大成就和重要一步”

相比之下,LightSail和NanoSail使用刚性桅杆或吊杆来部署它们的帆,帆的叶片连接在桅杆或吊杆上。这种更传统的设计往往比IKAROS的设计更重。

约翰逊说,美国国家航空航天局的工程师们要想利用太阳能帆的动力,面临的最大挑战是使吊杆更轻。帆的总质量越低,它从双龙的力量中加速的速度就越快。研究人员现在正在为支撑结构寻找坚韧、轻质的材料。

就像过去的探险家们用帆在未知的海洋上寻找新世界一样,也许有一天,太阳帆技术将使人类能够超越太阳系,访问银河系其他地方的新世界和外星世界。


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