LightSail太阳帆飞船5月首次试飞

2019年06月15日 来源:

“LightSail”太阳帆飞船5月首次试飞 试着飞出太阳系

原标题:“LightSail”太阳帆飞船5月首次试飞试着飞出太阳系

太阳帆飞船:随“风”奔跑,太阳指方向

文本报高 博

中图太阳帆在实验中成功地张开

下图2005年6月,由于运载火箭发动机出现故障飞船未能进入预定轨道,太阳帆飞船“宇宙一号”实验失败

这是星际旅行幻想的候选技术,它不需要燃料,而且比起“反物质发动机”,“核爆推进器”等技术概念,它接近人类现在的技术水平……

大年过罢头一遭,星际旅行有望了!美国一个叫行星学会(The Planetary Society)的爱好者组织今年1月底宣布,将在5月首次试飞“LightSail”太阳帆飞船,它将在佛罗里达州的卡纳维拉尔角,搭载宇宙神V型火箭升空。如果试飞成功,后续的同类型飞船将试着飞出太阳系。

即将迎接挑战的LightSail,分A、B两星。A星先上天实验,主要是要测试姿态控制和通信,还谈不上星际旅行。而2016年飞B星,就要试着走远一点了。两次任务成本为450万美元。

试验两步走

先在大气层里“试试水”

行星学会介绍说:长达四个星期的测试中,LightSail不会飞出大气层,而是试着控制姿态,监测太阳帆,将图像传回地面。

发射上去的太阳帆,是一个面包大小的卫星。展开成4块三角形薄膜,拼成一个正方形帆面。如果一切顺利,LightSail将在几天后试着打开,调整姿态,并且传回数据。

行星学会说,第二次测试飞行定于2016年。飞船将会安装于乔治亚理工学院研制的Prox-1卫星中,通过SpaceX的猎鹰重型运载火箭发射进入距地面720公里的轨道上,在外太空飞翔。ProX-1卫星将释放出LightSail,还会停在附近监视它。

理论支持

太阳光也是有压力的

伟大的开普勒400年前就提过:单靠太阳光就能行走太空。而1870年代麦克斯韦的理论,指出了这种幻想的真实性。麦克斯韦预言:光也是有压力的。

的确,虽然光子没有质量,但有动量,可以把它的动量传递出去。晒太阳的,就接受了太阳的压迫,只是力度太小感觉不到罢了。麦克斯韦理论提出30年后,科学家果然测出了光压。

俄罗斯的火箭先驱齐奥尔科夫斯,和他的同事桑德1921年提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光获得宇宙速度。”桑德还说,太阳帆应该是包在硬质塑料上的超薄金属帆。1950年代开始有大量文章讨论太阳帆。1970年代,由于展开技术和薄膜制造进步,太阳帆开始实验。上世纪九十年代,各国陆续完成了一些展开实验。

太阳帆反射光子,反过来光子推动太阳帆。阳光越炽烈压力越大,太阳附近,每平米接受的压力,相当于3枚一元硬币的重力,而到了阳光稀薄的太阳系边缘,每平米的压力就只有一根羽毛的重量了。

技术核心

又大又轻才走得动

展开的太阳帆,面料闪闪发亮,像锡箔。它其实是镀上一层铝的聚脂薄膜材料。

聚酯薄膜很寻常,但太阳帆薄得不寻常,只有100个原子厚。链、索、杆都是碳纤维复合材料。本身很轻,充气后才能勃起,硬如钢铁。

扬起巨帆方能行大船。太阳帆也是越大越好。在刘宇艳等人撰写的《可展开太阳帆技术概述》中说,如果太阳帆直径300米,可以获得340牛顿的压力。让0.5吨的航天器在200天飞抵火星。如果直径2000米,就能把5吨重的航天器推出太阳系。

有一种说法是,太阳帆理论上速度是光速的2%,也就是每秒6000公里。不过,现在科学家能指望的是大型太阳帆航行达到60公里的秒速,也就是现在纪录的4至6倍。如果成真,那么太阳帆将大踏步地飞向人马座。

必须具备完美反射面

太阳帆不光得轻,还得具备完美反射面,要比美人的脸蛋儿还光滑,让光子一触即弹。这可就难了。一个皱巴巴的包裹,展开成为坚固的完美镜面,对制造技术要求很高。

展开是一个大麻烦。科学家想出一些好办法,有人提出用折叠后的应力自动展开,不用机械;有人提出充气展开,被广泛采纳。姿态控制也很难,实践中多用一块小太阳帆去调整大帆的朝向。

激光器、透镜增加光强

2002年的迪斯尼动画片《星银岛》里,太空中就展开了一张张太阳帆,就如同大航海时代的百舸竞流。

在许多科幻小说里出现过的太阳帆,是星际旅行幻想的候选技术,因为它不需要燃料。而且比起“反物质发动机”“核爆推进器”等技术概念,它接近人类现在的技术水平。NASA有过设想,为了飞出太阳系,可以让帆更轻、更大,并在太阳系的适当位置摆上激光器,还有透镜,增加照到太阳帆上的光强。

值得一提的是,还有一种概念叫做“太阳风”推进器,它跟太阳帆是两回事。太阳风推进器不停地电离气体,制造出一个电磁球层,就像热气球一样捕获太阳风——太阳抛出的每秒300千米的带电粒子流,从而获得动量。科学家认为这可以让100公斤重的推进器,三个月内秒速超50公里。

国际竞赛

日本美国目前

除了LightSail,已经有太阳帆飞行器升空了。这方面日本,它的太阳帆飞行器已经飞过了金星。2010年5月,日本成功试飞IKAROS太阳飞船,它通过一面帆用太阳光压力作为动力。目前,这艘飞船已经飞过了金星,继续向太阳飞去。

有趣的是,IKAROS飞船用太阳风做动力,却是“逆风飞行”。其实帆船也可以在逆风天“曲线前进”,只要帆和前进方向调整适宜。太阳帆能吹向太阳也是同样的道理。

日本当时计划在10年内,再发射一艘太阳帆飞船,综合太阳帆和离子推进,飞到木星去。

与IKAROS同期,美国宇航局也发射了“纳米帆-D”卫星,它在近地轨道成功展开一个小帆,但不能用于飞行。NASA还计划了一项名为“Sunjammer”的太阳帆飞行器,原定于2015年发射。但在技术评审后,NASA无限期地延迟了这一项目。

美国政府和军队还提出一个太阳帆计划,通过调整倾角,让太阳帆飞船向太阳航行150万公里,以监视太阳磁暴。

除了提供动力,太阳帆的一个更现实的用处,是调整飞行器的姿态,好省一点燃料。

美国的宇航爱好者组织“行星学会”与俄罗斯合作,曾在2005年发射了“宇宙1号”,它也是LightSail的前身。它搭乘从巴伦支海的核潜艇上射出的火箭升空。本来“宇宙1号”应该在展开成功后降落,但却不知所终,分析认为是火箭分离故障让它没展开。

延伸阅读

非盈利组织的雄心壮志

根据络上的介绍:“行星学会是一个受到广泛支持的非政府、非盈利大规模机构,主要是进行与天文学相关的研究。成立于1980年,成立者是布鲁斯穆雷、路易斯弗里德曼、卡尔萨根,并有来自125国的成员。”

在“The Planetary Society”的主页上,醒目地写着它们的口号:“你的此间是空间(Your Place is Space)”。之外,它们刊登各种太空科技博客文章、照片、视频。

这个社团自称,其宗旨是“鼓励世界公民去推进空间科学和探索”。

目前行星学会已经有超过一百万的会员,谁都可以加入,不过在上注册成为普通会员,要交每年500美元的会费。尽管是民间组织,但行星学会也支持NASA。它们号召成员给美国国会写信,增加NASA的预算,并且制止国会敲除NASA的几个项目。

不论LightSail会不会像宇宙一号一样出师未捷,行星学会成功筹款迈向太空已赢得全球赞誉。宇航事业是由兴趣推动;在官办的NASA效率受诟病时,就出现了SpaceX公司,让人耳目一新;而目前“组织”大家登火星的,也是一家荷兰公司。说不定个登上火星的人类将会是爱好者呢!高手在民间。

原标题: “LightSail”太阳帆飞船5月首次试飞试着飞出太阳系

稿源:人民

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