太阳帆航天器_在线百科全书查询

太阳帆航天器

太阳帆航天器是一种利用太阳光的压力进行太空飞行的航天器。在没有空气阻力的宇宙空间中，太阳光光子会连续撞击太阳帆，使太阳帆获得的动量逐渐递增，从而形成加速度。宇宙1号航天器就是依靠这一动力，达到很高的飞行速度。它依赖导弹冲出稠密大气层之后，赁借太阳帆提供的推力在太空中运行了一段时间。在此飞行过程中，它最快时能达到每秒7.9公里的第一宇宙速度。

简介

设想由来

历史和发展

简介

太阳光实质上是电磁波辐射，主要是由可见光和少量的红外光、紫外光组成。光具有波粒二象性，光对被照射物体所施的压力称为光压。光压的存在说明电磁波具有动量。?

在太空中，远离了大气，又不存在影响光压的介质，太阳帆上每平方米获得的光压是0.48×10-6吨。宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。?

如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，则它获得的1.5吨的推力，能把重约5吨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，携有大量太阳帆的航天器可以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比以火箭推进的航天器快4～6倍。?

为什么推力小于航天器的重量仍能推动后者加速运动呢?因为在太空中运行的航天器处于失重状态，无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度大小。如发射静止轨道卫星时，卫星先进入大椭圆地球同步转移轨道，待其运行到赤道上空3.6万公里的高度时，遥控指令启动星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十公斤，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是后加的推力使卫星产生新速度，与原来的运动速度合成之后形成最终速度。远地点发动机完成任务后即关机，只有当卫星偏离预定位置时才再次点火，使其重新归位。太阳帆一直接受光压的作用，不仅能改变宇宙1号的运行轨道，而且能使其不断加速飞行。?

设想由来

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。但“太阳帆飞船”这一概念到20世纪20年代才明晰起来。1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希灿德尔明确提出了“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”。正是灿德尔首先提出了太阳帆———这种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。

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。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。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。“宇宙1号”的太阳帆面积为530.9平方米，由光压获得的推力仅为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的航天器快4～6倍。

理解这一点并不难。因为在太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度。比如，发射静止轨道卫星时，卫星先进入大椭圆地球转移轨道，待其运行到赤道上空3.6万公里的最大高度时，遥控指令激活卫星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十千克，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是这后加的推力使卫星产生新的速度，与原来的运动速度合成之后形成的最终速度为每秒3.075公里。太阳帆接受光压的作用，不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。

历史和发展

二十世纪70年代，当3名宇航员乘坐阿波罗11号宇宙飞船实现具有历史意义的登月之旅时，20多米高的运载火箭共携带了2500吨燃料。为了摆脱庞大的运载工具，长期以来，人们一直设想开发一种以阳光为能源的光帆航天器。

20世纪初，几位科学幻想小说家曾写过有关用反射镜面推动宇宙飞船的故事。但直到1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希.灿德尔才明确提出“用照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”。正是灿德尔首先提出了太阳帆———一种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。

装有太阳帆的航天器以阳光作动力，不需要火箭也不需要燃料，只要展开一个仅有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。它飞行起来很像大洋中的帆船，改变帆的倾角即可调整前进方向。而且只要几何形状和倾角适当，它可以飞向包括光源在内的任何方向。借助阳光的推力，这种航天器可以飞向太阳系的边缘并进入星际空间，如果辅以从地球轨道射出的强力激光束，它可以飞得更远，直至到达离太阳系最近的恒星。

人们知道，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。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平米帆面上产生的推力只有0．9达因，还不到一只蚂蚁的重量。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。

1976年，美国喷气推进实验室的科学家曾提出过大规模建造太阳帆的计划。他们建议建造一艘帆飞船，与198 6年返回太阳系的哈雷彗星相会。但美国航空航天局认为这一方案面临的风险太大，从而中止了太阳帆的研究。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。

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150万千米的地方，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150万千米，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。