太阳帆飞船

太阳帆飞船 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 简介 400年前的设想 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。 太阳帆 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 开普勒 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。简单来说，光粒子“打”到太阳帆上，会产生反作用力，在地球由于有空气阻力，这个力非常小，但在太空，阻力为0，太阳帆的速度便会很可观，而且这个速度会叠加，也就是说，阿波罗号到月球需要3天左右，而太阳帆则需一个月，但如果去火星，阿波罗号至少要几年，而太阳帆只需几个月。 别捷列夫的实验 列别捷夫 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。 编辑本段太阳帆飞船原理 简介 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。 数据 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，这一推力可使重约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。 太阳风 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。 不会枯竭的燃料 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”预期需要的时间却是十多年。 编辑本段太阳帆飞船实践 宇宙一号 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2010 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。 永久气候观测站 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。 科幻小说 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。 编辑本段发射过程:水下发射空中“孔雀开屏” 北京时间2005年6月22日凌晨4时46分，俄罗斯用“波浪”火箭发射了以太阳光为动力的“宇宙一号”(Cosmos-1)飞船，进行太阳帆的首次受控飞行尝试。最新飞行数据显示，飞船在起飞83秒后遭到失败，主持这一项目的美国行星学会说，在发射约20分钟后，飞船与地面失去了联系。目前飞船是否入轨正在等待进一步的证实。升空的飞船由8片三角形聚酯薄膜帆板组成，耗资400万美元，是美国一家私人组织“行星协会”、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金科学生产联合体花费数年时间联合建造的。 按照原定计划，“宇宙一号”被射进轨道之后，不会马上张开帆体，头几天将被用 于“宇宙一号”上的各个系统，高度控制发动机也将点火以保持其轨道的稳定，负责拍摄照片的照相机要被检测，而离子分析仪则开始搜集数据，以便同帆体展开后的数据进行比较。 飞船入轨几天后，位于莫斯科的地面站将发出展开帆体的命令，“宇宙一号”通过向桅杆充气，首先展开它约15米长折叠的三角形帆板中的4片，如果一切顺利，几分钟后将再展开剩下的4片,它们将构成一个直径约30米、面积600多平方米的“圆盘”。地面控制人员也可能选择让“宇宙一号”再环绕地球飞行一周后，重新回到莫斯科控制站上空后再展开。待所有帆板都打开后，“宇宙一号”就真正成为了一个光帆飞船。 飞船的帆板将首先保持固定不动，使得专家们能有机会仔细观察“宇宙一号”的姿态和行为。随后，控制人员才会调整帆板的方向，让其对正太阳，或者反过来同太阳成垂直方向。在整个任务的众多挑战中，光帆的姿态控制是相当有难度的一关，没人知道它的稳定性能到底如何。控制人员只能用看不见的电波来遥控它对准阳光，一旦出现技术问题，“宇宙一号”就可能被阳光“吹”偏侧身，并从此迷失方向。 编辑本段太阳帆飞船最新进展 “伊卡洛斯”号计划 2009年末，日本宇航研究组织JAXA宣布将在2010年发射太阳帆飞船。同时，美国也表示同年要再次发射太阳帆飞船。此外，欧空局也宣布了自己的相关计划。可见太阳帆飞船的未来方兴未艾 日本将在2010年发射的太阳帆飞船名叫“伊卡洛斯”号，“伊卡洛斯”号将随同“晓”号金星探测器，由H-2A运载火箭同时发射升空，并且同时飞往金星。 “伊卡洛斯”号拥有一面对角线长度20米的方形帆，由聚酰亚胺树脂材料制成，厚度仅0.0075毫米。“伊卡洛斯”号在飞行中将不断旋转，依靠离心力使这面轻薄的太阳帆保持张力。 按照计划，“伊卡洛斯”号将会花费几周的时间展开太阳帆，然后进行一系列加速和减速的试验，在经过半年旅行抵达金星轨道，将背对太阳开始进行为期三年的航行测试。 “伊卡洛斯”号太空帆船成功完成实验任务 新华社东京2011年1月27日电(记者蓝建中)日本宇宙航空研究开发机构日前宣布，世界上第一艘依靠太阳能驱动的太空帆船“伊卡洛斯”号已成功完成全部实验项目，包括利用阳光实现加速和改变轨道等。 “伊卡洛斯”号是去年5月随金星探测器“晓”号一起发射升空的。迄今，它已飞行了约5亿公里，并将继续飞行至2012年3月。“伊卡洛斯”号主要用于验证不使用燃料，利用太阳光粒子实现加速、减速和轨道控制的飞行技术。 据悉，“伊卡洛斯”号通过张开的太阳帆，借助光的微弱压力实现加速，并利用安装在太阳帆上的液晶元件，通过部分改变光的反射率来使帆倾斜，从而改变行进方向。 宇宙航空研究开发机构表示，现在通信变得有些困难，但仍能控制这艘太空帆船，所以准备继续实验，通过加大帆的倾斜角度，使帆产生变形，以此调查帆的强度，同时观测太空中尘埃的分布状况。 宇宙航空研究开发机构还透露，准备在2018年至2019年间发射前往木星的太空帆船。