空间科学-太阳帆计划

太阳帆计划

王络

近年来,随着微电子和材料科学的飞速发展,一直探索更快、更好、更便宜的空间飞行方式的美国宇航部门,重将目光投向了太阳帆计划。美国航空航天局的科学家们称,第一艘飞往太阳系边缘的光帆航天器可在10年内发射。

目前,美国国家海洋与大气管理局和美国空军已提出建造用于监视太阳表面活动的太阳帆计划,它将用传统的火箭将帆飞船送到距地球150万公里的地方,在此,太阳的引力与地球的引力相互平衡。到达此处之后,航天器展开一个直径70米的较小的帆,通过精心选择倾角,展开的帆即可提供所需的能量,使飞船向太阳方向继续飞行150万公里,并与地球保持同步。从这一有利地点,它就能监视干扰卫星和破坏地面电网的太阳磁暴,在磁暴袭击地球前2小时发出警报,这一时间几乎比目前的预警时间长了一倍。

除此之外,太阳帆计划还包括发射在高纬度绕地球飞行的商业卫星和一项飞向水星的计划。承担这种任务的帆要求面积更大,密度更低。专家们认为,利用一个边长100米、密度为每平米10克的帆提供动力,即可到达水星,而且速度比用火箭推进更快。

科学家认为,如果开发出边长200米、密度为每平米1至5克的帆,许多远距离探测将成为可能。如果帆的密度降到每平米1.5克,阳光在帆上产生的推力即可与太阳的引力相平衡。当航天器到达太阳极地上方时,即可长久地在此观察太阳的活动,这是迄今为止人类航天器从未到达的地点。如果将多个位于不同高度的航天器拍摄的太阳图像组合起来,就可以获得太阳的立体图形。

向太阳系外侧飞行的主要目标是土星。到达笼罩着一层甲烷的土卫六的帆航天器有类似的设计要求,科学家解释说,它到达那里要比火箭推进的探测器所用的时间少得多。

如同传统的飞船可以借助行星的引力改变航向并加速一样,帆飞船也可以借助太阳的引力改变航向并通过太阳辐射的推力获得加速。被加速的飞船靠近木星轨道后,太阳的辐射将变得很弱,飞船靠自身的动量继续向太阳系外侧飞行。依靠少量的化学推力,它们或许会降落在一些有趣的地点,如人们一直怀疑有一个海洋的土卫二上面等。

太阳帆的另一项任务是作为星际探测器,它将首次飞出太阳系,到达离太阳200个天文单位的地方(一个天文单位为地球到太阳的距离)。如要飞向更远的星际空间,就要穿过一个特殊地带。按照爱因斯坦的理论,每一个质量巨大的物体都可以成为一个引力透镜,使其后面的发光体发出的光线发生弯曲。在距太阳550个天文单位的距离,太阳的引力可使从遥远恒星发出的光汇聚并放大,如果将一个帆动力望远镜放在这一位置,就可以前所未有的清晰度看到遥远的物体,如围绕银河系中心运行的恒星。

帆航天器的最后一项任务是星际旅行。宇航专家们预测,未来的某一天,帆飞船将踏上飞往另一颗恒星的旅程。这将需要边长1000米、密度每平米0.1克的帆。此外,还需要建造一个强力激光器或微波源,为飞船提供辅助能量。飞船将依靠绕地球轨道运行的、比太阳光强6倍的强力激光器和一个置于土星和海王星间的面积为得克萨斯州大小的巨型聚焦透镜提供能量。这样飞船即可在太空以1/10光速的速度飞行,在40年时间内即可到达距我们最近的阿尔法半人马座恒星。

目前对我们来说,制造这样的激光器是困难的,制造这样的透镜也是艰巨的,但这并不意味着30年、40年或50年后仍是如此。到达阿尔法半人马座后,飞船将继续飞行,但那时候,为其提供动力的光就已经是来自另一颗恒星了。