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“光帆2號”正驗證用陽光推動航天器

發(fā)布時間：2019-08-15 11:12:03 文章來源：科技日報

光帆2號是個5公斤重的立方體衛(wèi)星。6月25日，它從肯尼迪航天中心搭乘美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的獵鷹重型火箭發(fā)射升空。7月2日，光帆2號

“光帆2號”是個5公斤重的立方體衛(wèi)星。6月25日，它從肯尼迪航天中心搭乘美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的“獵鷹重型”火箭發(fā)射升空。7月2日，“光帆2號”探測器順利進入預(yù)定軌道，成為全球首個純太陽動力地球衛(wèi)星。7月23日，“光帆2號”成功展開光帆，僅僅依靠陽光提供推力，在4天時間里，其軌道高度提升約2公里。

馭光而行的想法由來已久

事實上，光帆的概念早在上個世紀20年代就已經(jīng)出現(xiàn)了，最初的設(shè)想是單純利用太空中取之不盡的免費能源——太陽能，為宇宙飛船提供動力。但在隨后的很多年，光帆的概念只出現(xiàn)在科幻小說中，直到1959年才出現(xiàn)了第一篇關(guān)于光帆的學(xué)術(shù)論文。上個世紀50年代，美國國家航空航天局(NASA)開始著手研究光帆，但由于美蘇航天競爭和載人登月計劃，光帆技術(shù)的研究在60年代幾乎停滯。直到70年代NASA噴氣推進實驗室(JPL)的研究人員計劃發(fā)射一枚以光帆為推進器的航天器去實現(xiàn)與哈雷彗星的“會合”，在當時其他技術(shù)幾乎是不可能實現(xiàn)的，所以該項目很快獲得了NASA的立項。雖然最終由于技術(shù)限制和電推進方案的競爭該項目被放棄了，但這是人類第一次嘗試利用光帆來進行空間探測。此次“光帆2號”既是第一個在地球軌道上使用光帆推進的航天器，也是繼日本IKAROS任務(wù)之后，第二艘成功使用光帆的航天器。

那么，太陽光怎樣為航天器提供推力呢?

“光帆表面覆蓋著能夠反射太陽光的金屬薄膜。”清華大學(xué)航天航空學(xué)院副教授龔勝平談到，光子既有能量，又有動量，從動量的角度解釋太陽光壓力更好理解，光子撞擊光帆表面的金屬鍍層時被反射，與光帆產(chǎn)生動量交換，從而給了航天器飛行的動力。

不同形態(tài)的光帆各有優(yōu)點

龔勝平描繪了“光帆2號”的“出航”過程：最開始它以一個被“打包”的收縮狀態(tài)放在衛(wèi)星中，進入太空后展開，利用光壓進行軌道攀升。

“光帆的形態(tài)分為兩種，一種是自旋型，姿態(tài)自旋穩(wěn)定;另一種是支撐型，姿態(tài)三軸穩(wěn)定。”龔勝平表示，它們各有優(yōu)劣，自旋展開方式不需要支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，且沒有支撐結(jié)構(gòu)可以獲得更大面質(zhì)比，但航天器自旋需要消耗一定能量，同時，改變光帆的姿態(tài)(帆面的空間指向)比較困難，而三軸穩(wěn)定型則相反。“光帆2號”就屬于支撐型，此前日本的IKAROS屬于自旋型。

由于光帆的動力來源于太陽光，且光壓強度與太陽距離平方成反比，當它在遠離太陽時，其加速性能將大大減弱。因此，光帆在離太陽更近的空間探測任務(wù)中具有更大的優(yōu)勢。但也可以利用光帆的持續(xù)加速特性探測距離太陽較遠的空間，這就要求在光壓力變得很小之前利用光壓力將光帆加速到很大的速度。

“面積為1平方公里的光帆受到的作用力大概只有9牛頓。”龔勝平表示。目前，光帆表面覆蓋的金屬鍍層的材質(zhì)幾乎都是鋁，它對太陽光的利用率接近90%，雖然光壓力很小，但是如果我們能夠?qū)⒐夥谱鞯米銐蜉p，使它的面質(zhì)比足夠大，依然可以獲得較大的光壓加速度。

“如‘突破攝星計劃’提出的面密度為0.2克/平方米的光帆在地球附近的光壓加速度可以超過0.04米/秒2。”龔勝平表示。

未來激光驅(qū)動將飛得更遠

2016年，霍金在微博中提出了“突破攝星計劃”。該計劃旨在研發(fā)出一臺“納米飛行器”，由激光陣列驅(qū)動它達到五分之一光速，在發(fā)射后20年左右到達半人馬座阿爾法星系統(tǒng)，并發(fā)送回來那里的行星圖片。

龔勝平表示：“這個計劃目前只是一個設(shè)想。在這個設(shè)想中，整個航天器質(zhì)量只能有3.6克，光帆帆膜厚度約為1000納米，還要求推動它的激光光強達到200吉瓦，而這相當于幾千個三峽大壩的發(fā)電功率。”

光帆的最大優(yōu)勢是航天器不需要攜帶燃料，理論上可以一直在太空飛行直到材料失效。因此，可以完成一些傳統(tǒng)航天器難以實現(xiàn)的高能量、長時間任務(wù)。

“不過，光帆目前的研究還處在一個驗證階段。”龔勝平表示，本次“光帆2號”則是驗證性地完成了利用伸縮桿展開、三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制、利用光壓力進行軌道攀升等技術(shù)。

“在不久的將來，隨著光帆技術(shù)的進一步成熟，它還有更廣泛的應(yīng)用。”龔勝平表示。比如2020年，NASA的“近地小行星偵察機”(NEA Scout)任務(wù)將搭載光帆探測小行星。

實習(xí)生林文慧本報記者徐玢

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