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太阳帆飞船

王朝百科·作者佚名  2009-12-24
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简介太阳帆飞船靠阳光漫游太空,不携带燃料并一直加速,是目前惟一可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器……

太阳帆飞船设想开普勒400年前的设想渐成真:太阳光压提供推力

著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源,仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。

1924年,俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆——一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想,成为今天建造太阳帆的基础。

辐射计

关于光有压力的探索最早可以追溯到17世纪,1619年开普勒猜测彗星的尾巴之所以背向太阳,是因为存在一种太阳风将其吹开,现在知道导致彗尾背向太阳的原因主要是阳光的压力,所以开普勒的猜想可以作为第一个牵涉到光压领域的论述。后来牛顿主张的光微粒说则很自然地引进了光压的概念,但不久光波的概念就开始普及,光压也就失去了生存的空间。即使如此,仍旧有众多实验物理学家试图以实验证明光具有压力。例如1873年威廉·克鲁克斯(William Crookes)就设计了辐射计。

旁边的图就是辐射计,在一个半真空的容器内有这样的四片金属叶片,它们都是一面涂黑,另外一面是涂白,然后放置于针尖上。用光源照射它就会使它们开始旋转,克鲁克斯由此认为发现了光压。但实际上,这是空气分子的压力导致,由于容器内没有抽空,所以黑色部分吸收热量导致的温度增高会加热这面的空气分子,使之热运动加快,对于叶片的压力大;而白色部分吸收热量少温度低,这面的空气分子热运动慢,压力就小,其综合效果就是叶片开始旋转。

别捷列夫的实验

真正证实光压存在的实验就是1899年时列别捷夫所做的实验,左图是他的实验工具:

细金属片R放置于真空的容器G中,B点产生电弧光然后通过透镜组C、D、K、W到达反射镜组,最后经过一系列反射照射到真空中的细金属片R。通过挪动S1反射镜的位置可以让光从右侧入射,或者从左侧入射照到细金属片R的背面。P1可以转送部分光线到热电偶T,从而测量能量的大小。

列别捷夫的实验结果和分析发表在1901年出版的论文《光压的实验研究》(Experimental Research on Light Pressure)上,1900年美国的E. F. Nichols和G. F. Hull也通过实验得到了同样的结论。他们的光压实验宣布了光波动说的完结,成为光量子学说的基础。

太阳帆飞船原理人们知道,光是由没有静态质量但有动量的光子构成的,当光子撞击到光滑的平面上时,可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向,并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小,在地球到太阳的距离上,光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因,还不到一只蚂蚁的重量。因此,为了最大限度地从阳光中获得加速度,太阳帆必须建得很大很轻,而且表面要十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530.93平方米,与光压获得的推力仅为255克。

如果太阳帆的直径增至300米,其面积则为70686平方米,由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算,这一推理可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米,它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源,携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4—6倍。即比第二宇宙速度快6倍,比第三宇宙速度快4倍。

理解这一点并不难。因为在太空中运行的航天器处于失重状态,又无空气阻力,只要加少许力的作用,就会改变运动方向和速度。比如,发射静止轨道卫星时卫星先进入大椭圆地球转移轨道,待其运行到赤道上空3.6万公里的最大高度时,遥控指令启动星上远地点发动机工作,后者产生的推力仅为几十千克,却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是这后加的推力使卫星产生新的速度,与原来的运动速度合成之后形成的最终速度为每秒3.075公里。太阳帆接受光压的作用,它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道,而且能不断加速飞行。

人类很早就学会了制造帆,利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补划桨力量的不足。对于正在探索宇宙的人类来说,现代飞船有限的化学燃料能提供的动力同样不是很有效。太空中虽然有太阳风(从太阳外层大气不断发射出的稳定的离子流)这种可以同地球上的风相比拟的动力,但令科学家们感兴趣的是推动力比太阳风大1000多倍的太阳光。

我们之所以在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力,是因为它实在微小,一平方公里面积上的阳光压力总共才9牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态,又无空气阻力,所以轻微的推力(太阳光的压力)就可以让它加速,“宇宙一号”靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜,它们坚硬异常,表面上涂满了反射物质,使得它的反光性极佳,当太阳光照射到帆板上后,帆板将反射出光子,而光子也会对光帆产生反作用力,推动飞船前行。因此,光帆的直径越大,获得的推力也越大,速度也将越快,改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。

而且,阳光的好处是不会枯竭,同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比,太阳光是无限的动力之源,只要有阳光存在的地方,它会始终推动飞船前进,光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用,那么它在展开光帆1天后,按理论计算,它的时速将增加到160公里,100天后飞船的时速将达到16000公里,如果它能持续飞行3年,速度会被提升到每小时16万公里,这是人类任何飞行器都没有达到过的速度,相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话,可以在不到5年的时间里达到,而最快的传统飞船至少需要9年,美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

太阳帆飞船实践2005年,世界首艘依靠太阳能驱动的航天器太阳帆飞船“宇宙一号”发射失败后,研究人员已开发出体积更小、速度更快的改良版太阳帆飞船,有望最早在明年年底再次尝试太空之旅。

美国行星学会研究人员介绍,这种改良版太阳帆飞船名为“光帆”,可在距地表800公里高空处轨道上飞行。这种飞船大小和一长条面包类似,重约5公斤。飞船由3颗微型卫星组成,其中一个用于储存电子,另外两个用于携带折叠太阳帆。太阳帆由一种聚酯薄膜制成,展开后边长5米,厚度仅为普通垃圾袋的四分之一左右。

研究人员眼下尚未确定飞船发射具体日期。他们正在考虑使用美国或俄罗斯火箭发射,计划最早于2010年年底前完成第一次发射。

太阳帆飞船爱好者十分看好这种航天器的前景。他们认为,太阳帆飞船理论上不需燃料发动机,是星际远航的最可行办法和最理想航天器。一些专家则说,即使暂时无法实施星际远航,太阳帆短期内应用前景也不错。它可用于建立太阳永久气候观测站,监测磁暴活动。

美国行星学会主席弗里德曼说,研究人员共计划3次太阳帆飞船航行。继“光帆1号”后,他们还将发射“光帆2号”和“光帆3号”,让它们在距离地球更远的轨道飞行更长时间。不过,这些项目资金筹措成为难题。

弗里德曼说,他和一些有意资助者谈话后,一名“非常谦虚可爱的”男子走上前去,向他询问整个项目所需资金并留下学会银行账号。这名男子最终决定资助前两次发射。如果一切进行顺利,他还将投资第三次发射。几天后,这笔钱如期到账。不过,这名神秘资助者不愿公开身份。行星学会也没有公布项目所需资金总额。

2005年太阳帆飞船“宇宙一号”项目共耗资400万美元。负责运载飞船的俄罗斯火箭起飞后突然停止飞行,致使飞船未能与运载火箭分离,导致发射失败。

美国行星学会宣布重启太阳帆计划当天,正值学会已故创始人、前宇航员兼科幻小说作家卡尔·萨根诞辰75周年纪念日。

萨根在一本科幻小说中最早提出太阳帆航天器构想,即借助面积很大、类似风帆的镜面装置,利用宇宙中恒星发出的光子提供动力,驱动航天器在太空中飞行。这种光子力虽然看似微弱,却能持续不断地作用,逐渐将飞船在没有明显空气阻力的太空中推进到极高速度。萨根的遗孀安·德鲁扬说,太阳帆对萨根来说恰如“泰姬陵”。发射太阳帆飞船正是为亡夫圆梦。

虽然经历过失败,但行星学会对改良版太阳帆发射成功自信满满。学会主席弗里德曼说,即使太阳帆只在一小段轨道上受控制,但只要有现象显示它是以太阳能为动力,即证明发射成功。

发射过程:水下发射空中“孔雀开屏”

 
 
 
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