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美国打造“太阳帆”宇航系统 成未来星际探索动力  

2012-09-12 23:03:46|  分类: 探索科学类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美国打造“太阳帆”宇航系统 成未来星际探索动力 - 疆域网狼 - 疆域网狼的博客

美国国家航空航天局研制的,工作于地球轨道上的Nanosail-D太阳帆卫星 

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日本宇宙航空研究开发机构研制的IKAROS太阳帆探测器 

  21世纪初的太空探索技术似乎并没有比上个世纪中叶进步多少,特别是火箭动力系统等推进技术没有实现真正意义上的突破。目前最为成熟的化学能火箭发动机的原型依然来自第二次世界大战的德军火箭计划以及民间的烟花。甚至宇宙飞船的固体燃料技术都是固体火箭发动机技术的一部分。但是固体燃料助推器和捆绑式外部燃料箱液体火箭技术这一组合已经被证明是最有效的入轨动力系统,将数百名宇航员送入太空。

  科学家近些年致力于研究另一种宇航动力系统,即“太阳帆”动力系统,尽管该技术在摆脱地球引力初期并不是非常有效,但从深空探测角度看,将该动力系统装载到行星际探测器上是值得认真考虑。“太阳帆”动力系统的原理非常简单,通过展开超大的特殊镜面将太阳光子反射形成的辐射压作为推进飞船前进的动力,但短时间内该机制产生的推力非常小。

  将辐射压转换为推动力的概念并不是特别新颖的想法,早在1610年天文学家开普勒(Johannes Kepler)在观测彗尾时发生其方向由于某种原因而背向太阳,由此他推测其中可能存在某种未知的力量使得彗尾背离太阳方向。到了1864年,科学界接受了关于光携带某种动量并对接触的物体施加压力,比如尼科尔斯辐射计就能很好地演示该理论。尼科尔斯辐射计设计了一个具有微小的镀银玻璃面的密封灯泡,通过非常细的线连接在玻面内部。暴露在灯光下的玻璃面开始旋转,来自灯泡灯丝的辐射压驱动了玻璃面的运动。

  太阳帆技术已经被用于太空探索领域,使得探测器可以更节省燃料,比如美国国家航空航天局的“信使”号水星探测器成功使用了辐射压技术对太阳系内侧轨道行星进行探索。为了充分使用微弱的辐射压,太阳帆在设计上需要尽可能地收集每一单位的能量,而且需要更大的面积以接受光压。

  在2010年5月,日本宇宙航空研究开发机构研制了一颗新型太阳帆探测器(IKAROS),被喻为“星际风筝”。该探测器是首个进行行星际航行测试的太阳帆探测器。到了2010年11月,美国国家航空航天局发射了Nanosail-D太阳帆卫星,在地球轨道上进行了为期240天的测试,最后成功完成任务。值得一提的是,IKAROS行星际太阳帆探测器在2010年12月飞掠金星,并继续在太阳系中展开延展任务。

  日本宇宙航空研究开发机构的科学家为IKAROS太阳帆探测器设计了27平方米的大帆,太阳光辐射压在其上可产生0.0002磅的压力,相当于约0.1克压力,比鹅毛的平均重量还低。但这种方法虽然初始阶段推力较小,但经过相当长的时间加速后,可达到令人难以置信的速度。太阳帆动力技术的缺点在于需要相当长的时间用来加速,因此需要制造展开面积更大的帆。

  在IKAROS太阳帆探测器的尾部,科学家设置了一台太阳能电池模块,可以为探测器上的电子设备提供电力,另外探测器外部的可通过液晶矩阵来改变反射率,用于改变探测器的姿态。未来的空间任务将测试太阳帆动力技术,其挑战是当探测器远离太阳时,光辐射压就变弱,前往星际空间的旅行就会受阻。对此,科学家们提出了激光太阳帆技术用来延长此类探测器的航程。但该技术无疑还处于初级阶段,各种新的旋转太阳帆设计方案却显得很有前途。

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