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乘太阳风宇宙中航行 太阳帆与大太空时代已开始

http://www.kexue.com 2011-02-18 13:48:23 外滩画报  发表评论

  1月底,NASA的NanoSail-D飞船,在距离地球650公里的轨道上展开了太阳帆。而此前由于它迟迟未能成功弹开太阳帆,让NASA工程师几乎放弃希望;就在NASA决定宣布实验失败时,太阳帆突然自己弹出,让本次事件出现意外的转机。


如果把能量强大的阳光视为风,太阳帆便是风帆

  太阳帆是近年来太空探索活动中一个经常出现的词,与我们熟知的光伏板不一样,太阳帆的工作原理,并不是将太阳的光热能量通过转换器转化成电能,而是直接利用太阳的光压推动航天器前行的。

  如果把能量强大的阳光视为风,太阳帆便是风帆。乘着这种“太阳风”便可在浩瀚的宇宙中航行。也就是说,太阳帆本身便是一种动力装置,无需任何发动机和推进器便可在太空中航行。

  然而在地面上,利用太阳光压为动力并不可能,因为大气层内存在空气阻力和地面摩擦力太大,太阳光压本身的能量并不足以克服地面的这些阻力。只有在几近真空的宇宙中,太阳光压才能起到足够的作用驱动太阳帆飞行器飞行。

  使用太阳帆,宇宙飞行器可以只携带少量燃料便可以进行远距离太空航行。太阳帆能给航天器带来高达每秒30公里的速度,去年6月返回地球的日本深空飞行器“隼鸟号”前往丝川小行星,便动用了这种技术。靠着太阳帆和等离子火箭的推进,这个人类历史上到达太空最远端的飞行器走完了整整60亿公里行程。

  就如同大航海时代来临前三角帆船技术的完善一样。太阳帆技术成为公认的进行深空探索必须具备的基础技术。经过无数次实践检验,太阳帆在深空探索中的可行性确实是毋庸置疑。

  太阳帆的技术高在哪里?

  太阳帆本身的技术原理并不是很复杂,实际上和船帆没有本质区别。然而材料的选择却制约了这种技术的发展。

  现有的太阳帆的厚度仅仅为一张信纸百分之一,也就是说,这是一种比现有最薄安全套还薄的薄膜,然而这种薄膜却必须经历太空中各种恶劣环境的洗礼。这在过去十年是不可想象的事情。随着纳米技术的发展,才让人类有了制造太阳帆材料的能力。

  太阳帆如何张开也是一个非常棘手的问题。太阳帆的基本结构类似折叠雨伞,而为了减轻重量,这张“雨伞”的伞骨也不能用现有的机械结构来实现开合。只能依靠“伞骨”本身的张合来完成这个动作。然而在地面经过测试毫无问题的记忆金属,在高热或者高寒的太空中,经过强辐射的作用后,却会变得不那么可靠。这就是为什么本次NASA的科学家几近绝望的原因——出现这样的问题,是地球上科学家不能预料的。因为人类现在对于远空环境的情况只能通过远程探测器去获得,这些数据并不全面和精确,如果出现了出人意料的环境变化,则可能造成无法预料的损失。这就是为何尽管无人飞行器已经突破了太阳系边缘,而载人航天的最多只能到达月球表面的原因。

  太阳帆的前景

  如果说太阳帆主要作为远空探险的动力来源则未免过于狭隘,本次NASA发射的、使用了太阳帆的卫星FASTSAT只是一颗小型卫星,然而太阳帆的实验却并不是这颗卫星完成的。

  FASTSAT主要的作用是发射一颗纳卫星,而这颗纳卫星名为纳米帆-D。太阳帆的展开实验是由这颗纳米帆-D卫星完成的,其大小仅仅相当于一个麦当劳汉堡包。

  显然这么微小的飞行器是不可能进行远空探索的。实际上NASA的实验主要是为了验证,以小型、独立、成本效益好的方式发射商用或科学卫星,效果到底如何;这次发射实验一旦成功,可能会让NASA摒弃了更大型、更昂贵的发射任务。因此远空探险并不是本次NASA实验的主要目的,太阳帆一样可以应用于地球轨道上卫星的低成本运作。

  也有一些别的国家在关注这类实验,英国也计划在今年发射一颗体积像鞋盒那么大的卫星,试验太阳帆如何作为气动式制动器为其提供动力。这样也可以更低成本地解决太空垃圾的问题,英国希望这种以太阳帆为动力的卫星可以围绕地球飞行“打捞”危险的太空垃圾。

  太阳帆所能解决的不仅仅是太空垃圾,去年便有科学家构想给接近地球的小行星装上太阳帆,从而避免地球文明被太空来客摧毁的可能。当然要想让一颗直径几十公里的小行星改变运动轨迹并不容易,人类现有的太阳帆肯定不能完成这个任务。事实上人类迄今为止建造的最大的太阳帆动力飞行器展开直径还不到20米,有效载荷不过100公斤左右,甚至无法维护人的生命维持系统,这样的太阳帆显然无法令行星改变运动轨迹。(朱江明)