03.29 当星际飞船扬起“帆”,太空大航海时代还会远吗?

当星际飞船扬起“帆”,太空大航海时代还会远吗?

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当星际飞船扬起“帆”,太空大航海时代还会远吗?

光动力飞船概念图

美国行星协会的“光帆2”号飞船最早将于6月13日,搭乘SpaceX的新型猎鹰重型火箭在佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射升空。

“光帆2”号的最终目的地是距地面725公里的中地球轨道,大概是国际空间站高度的两倍。本次任务中,“光帆2”号将充当太阳帆技术的一个试验台,也需要执行美国宇航局提议的立方体卫星“近地小行星侦察”(NEA Scout)。“光帆2”号预计会将一个午餐盒大小的航天器发射到预定轨道,并展开一张约两个停车位大小的聚酯帆。

由于省去了飞船携带燃料的麻烦,太阳帆技术有望成为未来所有行星际飞船的推进手段,被行星协会称为“光动力飞行”。具体地说,就是利用来自太阳的光子流驱动飞船行进。

美国宇航局马歇尔太空飞行中心近地小行星搜索任务的技术负责人Les Johnson称:“太阳帆真正的好处在于它的轻重量让它能够长时间持续工作而且对于推动需求较小。稳定的太阳光压能够逐渐为小型探测器加速。倾斜太阳帆来改变太阳光的反射角度就能够操控飞船飞行。

行星协会首席科学家布鲁斯·贝蒂斯表示,即便是立方体卫星这样的小型卫星,能携带的每一克都非常重要。

贝蒂斯说:“我们一直在等待发射机会,希望能够进入距地球更高的高度。在更高的高度,太阳压力将支配大气阻力。我们希望尝试可控太阳帆。在环绕地球轨道飞行时,第一半将由阳光驱动,剩下的一半,我们将侧向面对阳光。

在“光帆1”号基础上改进

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Credit: The Planetary Society

据悉,行星协会的“光帆1”号飞船曾于2015年5月20日,与空军的绝密X-37B空天飞机一同发射。它在低地球轨道逗留了不到一个月。虽然实现了研发太阳帆的主要目标,但此次试飞也暴露出一些问题。发射后短短两天,软件故障导致太阳帆的展开时间推迟到6月7日。飞船6月9日传回的一幅照片显示,太阳帆成功展开,完成此次任务的首要目标。

但在此之后,更多问题浮出水面。

2015年6月15日,行星协会的詹森·戴维斯在一篇博客中指出:“在工程师能够获取对面相机拍摄的照片前,‘光帆’的无线电开始传输一个连续的无意义信号,飞船不再对指令做出响应。”6月10日,“光帆1”号停止传输数据,也就是在按照原定计划进入大气层前不久。贝蒂斯说:“‘光帆1’号让我们学到很多东西,让我们对这种飞船有了进一步的认识。在出现各种问题之后,我们进行了大量改进。”

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2015年6月8日,行星协会“光帆”号飞船搭载的立方体卫星在地球轨道拍下了这幅照片,展示了展开的太阳帆

相比“光帆1”,“光帆2”号将更好地利用沿途的粒子。

在硬件方面,最大的差异便是,会有一个动量轮(可理解为一个快速旋转的轮子),帮助“光帆2”号在太空中保持位置。此外,它的姿态确定和控制软件也有别于“光帆1”号。相机也进行了升级,能够传输画质更高的太阳帆照片。

其它改进则能让“光帆2”号更加稳健。贝蒂斯表示“光帆2”号装有采用自动设置的定时器,用于重启特定流程,或者在发生故障时重启飞船。此外,“光帆2”号传回的无线电信号将包括更多信息,能让地面控制人员进一步了解飞船的健康状况。工程师还加装了反射镜,用以标记飞船的方位,降低在地面上追踪飞船的难度。

驱动星际飞船

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2010年12月8日,日本的“伊卡洛斯”号太阳帆飞船在金星前方穿过。此时,“伊卡洛斯”号距金星大约8万公里

当然,太阳帆技术在航天界并非是全新概念。除了光帆系列,也有其他飞船也在太空中成功测试了太阳帆。

最引人注目的例子当属日本的“伊卡洛斯”号(一艘太阳辐射驱动的行星际风筝型飞船)。在2010年日本的“拂晓”号金星任务中,“伊卡洛斯”号成功利用太阳帆飞行。它是迄今为止唯一一艘利用太阳帆在深空中进行远距离飞行的飞船。2012年,“伊卡洛斯”号创造吉尼斯世界纪录,成为第一艘进入行星际空间的太阳帆飞船。

2010年,美国宇航局在低地球轨道展开“纳米帆-D2”卫星的太阳帆。这项任务的重点就是展开太阳帆,同时研究太阳帆如何在低地球轨道运转。宇航局还曾计划执行另一次太阳帆任务,名为“Sunjammer”,但这项任务最终流产。

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2010年6月14日,“伊卡洛斯”飞船的太阳帆展开。照片由太阳帆释放的一台小型相机拍摄

“光帆2”号将进一步丰富有关太阳帆如何在太空运转的实际信息。这些信息至关重要。

“光帆2”号项目组亦与另一个太阳帆实验小组“近地小行星侦察”(NEA Scout)有所接触,后者将利用太阳帆飞跃一颗小行星。贝蒂斯说:“他们计划使用的太阳帆拥有与‘光帆2’号类似的设计和特性。”NEA Scout项目组计划加入猎户座探索任务-1(EM-1),计划飞跃小行星1991 VG。但此项计划尚未最终敲定。

由于省去了飞船携带燃料的麻烦,太阳帆(光动力飞行)是未来行星际探索任务的一种可能推进方式。

当阳光照射到木星轨道附近时,已经减弱到无法满足大多数以太阳能为动力的任务。但是美国宇航局太空任务理事会的首席工程师Jeffrey Sheehy和Johnson都认为,这项技术有可能为星际任务铺平道路,因为强大的激光器能够将太阳帆飞船加速到十分之一的光速甚至更快。

一家名为Breakthrough Starshot的私人组织希望,在这一代将这样一种飞船送往距离地球最近的半人马座阿尔法星。

现在,宇航局正对一系列任务设想进行研究。私人资助的“突破摄星”计划将利用激光和太阳帆“双管齐下”的方式,向距离地球最近的恒星系统——半人马座阿尔法星系统派遣一颗微型探测器。

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突破摄星项目为霍金发起,目标是开发数千个邮票大小的纳米小型太空飞船,飞往我们最近的恒星系,并发回照片。

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