可展开太阳帆技术概述

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1、可展开太阳帆技术概述刘宇艳李学涛杜星文太阳帆航行的构想和原理太阳帆以太阳光光压为推进动力，是一种独特的推进方式，它超越了对反应物料的依赖。其工作原理是：利用太阳帆将照射过来的太阳光（光子）反射回去，由于力的作用是相互的，太阳帆在将光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力，从而推动飞船前进。装有太阳帆的航天器不需要火箭，也不需要燃料，只需展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆，即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间，而且只要几何形状和倾角适当，太阳帆可以飞向包括光源在内的任何方向。太阳帆扩大了太空行动的范围，使新的空间探测构想成为可能，而这些构想对于

2、常规推进动力来说是根本不可能的。我们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。除了由入射光子传送到太阳帆上的动量之外，被反射的光子也在太阳帆上施加了反作用力。因此，通过将入射光子和反射光子产生的力相叠加，则作用在太阳帆上的总力几乎垂直指向它的表面。通过控制相对于太阳位置线的太阳帆方位，太阳帆可以获得或者释放轨道角动量。这样，太阳帆就能够向内或向外螺旋式上升穿越太阳系。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在1m2帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。

3、因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。对于一个典型的太阳帆来说，整个飞行器单位面积上的质量可以从20g/m2（近距离航行）到0.1g/m2（远距离星际航行）。太阳帆不但要有较小的自身荷载，而且也要具备近乎完美的反射面，才能使转换到太阳帆上的动量几乎是入射光子所传送的动量的两倍。由于单个光子所传送的动量非常小，为了拦截大量的光子，太阳帆必须有一个大的表面积。如果太阳帆的直径为300m，其面积则为70686m2，由光压获得的推力为340N。根据理论计算，这一推力可使重约0.5t的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增

4、至2000m，它获得的15000N推力就能把重约5t的航天器送到太阳系以外。由于来自太阳的光线提供了无尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以67km/s的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的航天器快4～6倍。太阳帆航行研究的发展历史和现状虽然太阳帆航行只是在近年来才被看作是一种实用的航天器推进方法，但是它的基本思想却由来已久。著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。1873年，苏格兰物理学家麦克斯韦从理论上说明了光压的存在。1900年，俄罗斯的物理学家进行了准确的实验，测得了光压的存在。1924年，俄罗斯航天事业

5、的先驱齐奥尔科夫斯其同事桑德明确提出了“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是桑德首先提出了太阳帆——包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。1973年，美国航宇局（NASA）出资资助巴特尔实验室进行太阳帆航行的初步研究。近年来，NASA发起了一系列利用太阳帆进行太阳物理任务的研究，如太阳帆极地成像仪任务，它利用太阳帆来移出黄道面并进入太阳周围的两极轨道。德国宇航研究院（DLR）和欧洲空间局（ESA）自1998年起与NASA合作，解决太阳帆技术的关键问题，于1999年12月制造出了20m×20m的太阳帆模型，并进行了地面测试

6、，在模拟无重力情况下进行了展开试验。目前，美国国家海洋与大气管理局（NOAA）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太阳帆航天器送到距地球150万千米的地方，在此处太阳的引力与地球的引力相互平衡。此后，航天器将展开一个直径70m的帆面，通过精心选择倾角，展开的帆面即可提供所需的能量，使飞船向太阳方向继续飞行150万千米，并与地球保持同步。在这一有利地点，它能监视干扰卫星和破坏地面电网的太阳磁暴，并在磁暴袭击地球前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。俄罗斯的“宇宙”1号太阳帆耗资400万美元，由美国太空爱好者成立的私人组

7、织“行星学会”、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年时间联合建造。这次试验不仅是制造全新宇宙飞行器方面的首次尝试，也是由私人投资宇宙开发项目的首次尝试。试验的目的是实际验证能否通过太阳光的作用来改变飞行器的轨道和速度，并控制其运动。该太阳帆主体由8片14m长的三角形聚脂薄膜构成。一旦抵达轨道，航天器就会吹胀帆桅，并将太阳帆伸展开来。帆体像花瓣般撑开后，面积达600多平方米，阳光随即供给光帆动力，将“宇宙”1号由原来的800km的高度推升到更高的轨道上。2005年6月21日，“宇宙”1号在巴伦支海的俄罗斯核潜艇上发射后仅83秒