可展開太陽帆技術(shù)概述

2023年12月31日發(fā)(作者：繁華都市)

可展開太陽帆技術(shù)概述

劉宇艷 李學(xué)濤

杜星文

太陽帆航行的構(gòu)想與原理

太陽帆以太陽光光壓為推進(jìn)動力，是一種獨(dú)特的推進(jìn)方式，它超越了對反應(yīng)物料的依賴。其工作原理是：利用太陽帆將照射過來的太陽光（光子）反射回去，由于力的作用是相互的，太陽帆在將光子“推”回去的同時，光子也會對太陽帆產(chǎn)生反作用力，從而推動飛船前進(jìn)。裝有太陽帆的航天器不需要火箭，也不需要燃料，只需展開一個僅有100個原子厚的巨型超薄航帆，即可從取之不盡的陽光中獲得持續(xù)的推力飛向宇宙空間，而且只要幾何形狀與傾角適當(dāng)，太陽帆可以飛向包括光源在內(nèi)的任何方向。太陽帆擴(kuò)大了太空行動的范圍，使新的空間探測構(gòu)想成為可能，而這些構(gòu)想對于常規(guī)推進(jìn)動力來說是根本不可能的。

我們知道，光是由沒有靜態(tài)質(zhì)量但有動量的光子構(gòu)成的，當(dāng)光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運(yùn)動方向，并給撞擊物體以相應(yīng)的作用力。除了由入射光子傳送到太陽帆上的動量之外，被反射的光子也在太陽帆上施加了反作用力。因此，通過將入射光子與反射光子產(chǎn)生的力相疊加，則作用在太陽帆上的總力幾乎垂直指向它的表面。通過控制相對于太陽位置線的太陽帆方位，太陽帆可以獲得或者釋放軌道角動量。這樣，太陽帆就能夠向內(nèi)或向外螺旋式上升穿越太陽系。

單個光子所產(chǎn)生的推力極其微小，在地球到太陽的距離上，光在1m2帆面上產(chǎn)生的推力還不到一只螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。對于一個典型的太陽帆來說，整個飛行器單位面積上的質(zhì)量可以從20g/m2（近距離航行）到0.1 g/m2（遠(yuǎn)距離星際航行）。太陽帆不但要有較小的自身荷載，而且也要具備近乎完美的反射面，才能使轉(zhuǎn)換到太陽帆上的動量幾乎是入射光子所傳送的動量的兩倍。由于單個光子所傳送的動量非常小，為了攔截大量的光子，太陽帆必須有一個大的表面積。如果太陽帆的直徑為300m，其面積則為70686 m2，由光壓獲得的推力為340N。根據(jù)理論計算，這一推力可使重約0.5t的航天器在200多天內(nèi)飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000m，它獲得的15000N推力就能把重約5t的航天器送到太陽系以外。由于來自太陽的光線提供了無盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以67km/s的速度前進(jìn)。這個速度要比當(dāng)今以火箭推進(jìn)的航天器快4～6倍。

太陽帆航行研究的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

雖然太陽帆航行只是在近年來才被看作是一種實用的航天器推進(jìn)方法，但是它的基本思想?yún)s由來已久。著名天文學(xué)家開普勒在400年前就曾設(shè)想不攜帶任何能源，僅僅依靠太陽光能就可使宇宙飛船馳騁太空。1873年，蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋從理論上說明了光壓的存在。1900年，俄羅斯的物理學(xué)家進(jìn)行了準(zhǔn)確的實驗，測得了光壓的存在。1924年，俄羅斯航天事業(yè)的先驅(qū)齊奧爾科夫斯其同事桑德明確提出了“用照射到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。正是桑德首先提出了太陽帆——包在硬質(zhì)塑料上的超薄金屬帆的設(shè)想，成為今天建造太陽帆的基礎(chǔ)。

1973年，美國航宇局（NASA）出資資助巴特爾實驗室進(jìn)行太陽帆航行的初步研究。近

年來，NASA發(fā)起了一系列利用太陽帆進(jìn)行太陽物理任務(wù)的研究，如太陽帆極地成像儀任務(wù)，它利用太陽帆來移出黃道面并進(jìn)入太陽周圍的兩極軌道。德國宇航研究院（DLR）與歐洲空間局（ESA）自1998年起與NASA合作，解決太陽帆技術(shù)的關(guān)鍵問題，于1999年12月制造出了20m×20m的太陽帆模型，并進(jìn)行了地面測試，在模擬無重力情況下進(jìn)行了展開試驗。目前，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）與美國空軍已提出建造用于監(jiān)視太陽表面活動的太陽帆計劃，它將用傳統(tǒng)的火箭將太陽帆航天器送到距地球150萬千米的地方，在此處太陽的引力與地球的引力相互平衡。此后，航天器將展開一個直徑70m的帆面，通過精心選擇傾角，展開的帆面即可提供所需的能量，使飛船向太陽方向繼續(xù)飛行150萬千米，并與地球保持同步。在這一有利地點(diǎn)，它能監(jiān)視干擾衛(wèi)星與破壞地面電網(wǎng)的太陽磁暴，并在磁暴襲擊地球前2小時發(fā)出警報，這一時間幾乎比目前的預(yù)警時間長了一倍。

俄羅斯的“宇宙”1號太陽帆耗資400萬美元，由美國太空愛好者成立的私人組織“行星學(xué)會”、俄羅斯科學(xué)院與莫斯科拉沃奇金太空工業(yè)設(shè)計所花費(fèi)數(shù)年時間聯(lián)合建造。這次試驗不僅是制造全新宇宙飛行器方面的首次嘗試，也是由私人投資宇宙開發(fā)項目的首次嘗試。試驗的目的是實際驗證能否通過太陽光的作用來改變飛行器的軌道與速度，并控制其運(yùn)動。該太陽帆主體由8片14m長的三角形聚脂薄膜構(gòu)成。一旦抵達(dá)軌道，航天器就會吹脹帆桅，并將太陽帆伸展開來。帆體像花瓣般撐開后，面積達(dá)600多平方米，陽光隨即供給光帆動力，將“宇宙”1號由原來的800km的高度推升到更高的軌道上。2005年6月21日，“宇宙”1號在巴倫支海的俄羅斯核潛艇上發(fā)射后僅83秒即宣告失敗。承擔(dān)發(fā)射任務(wù)的俄羅斯軍方官員宣布由于火箭推進(jìn)器出現(xiàn)故障，太陽帆未能進(jìn)入預(yù)定軌道。

目前，美國的戈達(dá)德航天飛行中心、噴推實驗室、蘭利研究中心與馬歇爾航天飛行中心等部門都在進(jìn)行太陽帆項目的研究，為選擇太陽帆的制造材料進(jìn)行了大量測試工作，并探討了如何發(fā)射以及太陽帆在太空中的展開技術(shù)等問題。NASA的科學(xué)家們稱，第一艘飛往太陽系邊緣的光帆航天器可在10年內(nèi)發(fā)射，預(yù)計2010年成行的太陽帆航天器將歷經(jīng)15年以上的航程，飛行37億千米直到太陽系邊緣。

圖 1 “宇宙”1號太陽帆航天器模擬圖

圖2 NASA設(shè)計的正方形太陽帆

圖 3 一個尺寸為10m與兩個尺寸為2m的太陽帆模型

圖4 德國宇航研究院的太陽帆部件展開試驗

太陽帆的主要部件及結(jié)構(gòu)形式

太陽帆結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，即支撐結(jié)構(gòu)、太陽帆薄膜與包裝展開機(jī)構(gòu)。

1、支撐結(jié)構(gòu)

由太陽帆、系鏈、錨索與桿組成的整個系統(tǒng)需要與太陽帆航天器的核心結(jié)構(gòu)連接在一起。通過使用先進(jìn)的復(fù)合材料與纖維，能夠制造出重量很輕的可展開支撐結(jié)構(gòu)。德國宇航研究院設(shè)計的太陽帆支撐結(jié)構(gòu)是4根14m長的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，厚度小于0.01mm，使用時充氣剛化。

2、太陽帆薄膜

單個光子所傳送的動量非常小，必須使用大型的太陽帆來攔截大量的光子，以收集足夠的能量。為了提高太陽帆航天器的有效荷載能力，要求太陽帆超大、超輕、超薄。選擇太陽帆材料時需要考慮空間環(huán)境的影響，拉伸使薄膜平整，形成近乎完美的反射面。制備太陽帆薄膜的材料是鍍鋁的聚酰亞胺或聚脂薄膜，目前最薄的聚酰亞胺薄膜厚度為7.6μm，面密度為11g/m2。

3、包裝展開機(jī)構(gòu)

在太陽帆航天器結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，最有挑戰(zhàn)性的問題之一就是如何在發(fā)射過程中緊密地包裝太陽帆薄膜與支撐結(jié)構(gòu)，然后在軌道上可靠地展開。一般應(yīng)選擇與展開方法一致的包裝方案，并要求包裝體積最小以及內(nèi)部沒有殘存的氣體；太陽帆結(jié)構(gòu)中所有元件的展開應(yīng)該是可控的、穩(wěn)定的以及對缺陷與小的擾動反應(yīng)不敏感；分階段展開，即每個展開階段的結(jié)束時讓系統(tǒng)在開始進(jìn)行下一階段展開之前達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

4、太陽帆結(jié)構(gòu)

目前已經(jīng)提出的太陽帆方案從結(jié)構(gòu)來分有三軸穩(wěn)定的正方形、自旋穩(wěn)定的直升機(jī)式與穩(wěn)定的圓盤式太陽帆等三種形式。正方形太陽帆使用的是單片或多片薄膜，薄膜通過從中心軸上伸出來的懸臂斜桿來保持拉緊狀態(tài)。對于大型太陽帆，桿上的彎曲載荷會變得過大，所以必須由撐條來支撐。正方形太陽帆依靠一個剛性結(jié)構(gòu)來提供薄膜邊緣處的張力，而直升機(jī)式有幾個長薄膜葉片，通過旋轉(zhuǎn)來提供張力與自旋穩(wěn)定。直升機(jī)式太陽帆的展開順序比正方形太陽帆更簡單、風(fēng)險更低。圓盤式太陽帆介于三軸穩(wěn)定的正方形與自旋穩(wěn)定的直升機(jī)式之間。旋轉(zhuǎn)的圓盤式太陽帆的姿態(tài)通過由質(zhì)心與壓力中心偏移引起的扭矩來控制。對于高性能太陽帆的制造來說，自旋圓盤式太陽帆是一個具有吸引力的選擇。

圖 5 四象限膜的正方形太陽帆

圖 6 自旋穩(wěn)定的直升機(jī)式太陽帆

圖 7 圓盤式太陽帆

太陽帆航行的任務(wù)構(gòu)想

1、太陽系任務(wù)

由于內(nèi)太陽系中太陽輻射壓不斷增加，太陽帆能夠很容易地把有效荷載運(yùn)送到太陽的近極地軌道。利用太陽帆在太陽系內(nèi)實施的任務(wù)包括發(fā)射在高緯度繞地球飛行的商業(yè)衛(wèi)星與一項飛向水星的計劃。承擔(dān)這種任務(wù)的帆要求面積更大，密度更低。專家們認(rèn)為，利用一個邊長100m、密度為10g/m2的帆提供動力，即可到達(dá)水星，而且速度比用火箭推進(jìn)更快。如果開發(fā)出邊長200m、密度為1～5g/m2的帆，許多遠(yuǎn)距離探測任務(wù)將成為可能。如果帆的密度降到15g/m2，陽光在帆上產(chǎn)生的推力即可與太陽的引力相平衡。當(dāng)航天器到達(dá)太陽極地上方時，即可長久地在此觀察太陽的活動，這是迄今人類航天器從未到達(dá)的地點(diǎn)。如果將多個位于不同高度的航天器拍攝的太陽圖像組合起來，就可以獲得太陽的立體圖形。向外太陽系飛行的主要目標(biāo)是土星。到達(dá)籠罩著一層甲烷的土衛(wèi)六的太陽帆航天器也有類似的設(shè)計要求，它到達(dá)那里比火箭推進(jìn)的探測器所用的時間少得多。如同傳統(tǒng)的飛船可以借助行星的引力改變航向并加速一樣，太陽帆航天器也可以借助太陽的引力改變航向并通過太陽輻射的推力獲得加速。被加速的航天器靠近木星軌道后，太陽的輻射將變得很弱，飛船靠自身的動量繼續(xù)向太陽系外側(cè)飛行。依靠少量的化學(xué)推力，它們會降落在一些我們感興趣的地方，如人們一直懷疑有一個海洋的土衛(wèi)二上面等。

2、星際太陽帆航天器

太陽帆的另一項任務(wù)是作為星際探測器，首次飛出太陽系，到達(dá)離太陽200個天文單位的地方。如要飛向更遠(yuǎn)的星際空間，就要穿過一個特殊地帶。按照愛因斯坦的理論，每一個質(zhì)量巨大的物體都可以成為一個引力透鏡，使其后面的發(fā)光體發(fā)出的光線發(fā)生彎曲。在距太陽550個天文單位的距離，太陽的引力可使從遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光線匯聚并放大。如果將一個太陽帆動力望遠(yuǎn)鏡放在這一位置，就可以前所未有的清晰度看到遙遠(yuǎn)的物體，如圍繞銀河系中心運(yùn)行的恒星。現(xiàn)在NASA正在考慮星際探索，這是一項研究太陽風(fēng)頂層邊界與星際太空附近環(huán)境的任務(wù)。這項任務(wù)要求在15年的時間內(nèi)航行超過200個天文單位，甚至到400個天文單位。太陽帆航天器的最后一項任務(wù)是星際旅行。宇航專家們預(yù)測，未來太陽帆航天器將踏上飛往另一顆恒星的旅程。這將需要邊長1000m、密度0.1g/m2的帆。此外，還需要建造一個強(qiáng)力激光器或微波源，為航天器提供輔助能量。航天器將依靠繞地球軌道運(yùn)行的、比太陽光強(qiáng)6倍的強(qiáng)力激光器與一個置于土星與海王星之間、面積為得克薩斯州大小的巨型聚集透鏡提供能量。這樣航天器即可在太空以1/10光速的速度飛行，在40年時間內(nèi)到達(dá)距我們最近的阿爾法半人馬座恒星。

3、非開普勒軌道

除了行星飛行任務(wù)之外，太陽帆能夠用于奇異的非開普勒軌道。它可以為太陽等離子風(fēng)暴到達(dá)地球之前提供預(yù)警、實現(xiàn)與高緯度地區(qū)的連續(xù)通信以及連續(xù)的實時極地成像等。□