光压原理在太阳帆推进中的应用

摘 要: 太阳帆推进是直接利用太阳光的光压产生推力,无需推进剂。由于来自太阳的光线提供了无穷无尽的能源,因此,远距离的太空旅行使用太阳帆比使用传统的火箭推进器要更胜一筹。

关键词: 太阳帆 光压原理 太阳帆推进

1.引言

1969年,为使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,110多米高的运载火箭共携带了2500吨燃料。人们长期以来为摆脱庞大的运载工具,一直设想开发一种以阳光为能源的光帆航天器。

上个世纪初,几位科幻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才提出“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”,这种设想成为今天建造太阳帆的基础。

2.光压原理

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,会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。为便于读者理解光压的计算过程,我们先研究乒乓球对墙壁的压力。

假设有很多质量为m的乒乓球以水平速度v持续不断地打到竖直墙面上,与墙碰撞后以原速弹回。若在时间t内有N个球与墙发生了碰撞,则每个球的动量变化量为p=mv-(-mv)=2mv,这里取返回时的速度方向为正方向。由于大量的球与墙发生持续的碰撞,因此可以认为墙受到了均匀的压力F,根据动量定理有:F=2Nmv/t。如果令单位时间内与墙碰撞的球数为n,则n=N/t,这样压力就可以表达得更简单:F=2nmv。

现在我们把乒乓球想象为光子,并用同样的物理规律来计算光对墙的压力。根据爱因斯坦的光子理论,每个光子的能量为E=hν;根据他的相对论,每个光子的能量为E=mc2,其中m、c分别表示光子的运动质量和在真空中的速度。

组成光线的粒子(即光子)在遇到物体后,能够对物体产生压力,这就是光压。早在1748年,L.欧拉就指出光压的存在,这被后来的英国物理学家麦克斯韦首先用电磁场理论推证出来。1899年,俄国物理学家列别捷夫用实验证实了光压的存在,并和美国物理学家尼科斯、赫耳分别用精密实验测定了光压的大小,其值与理论相符。目前,光压动力已被用于行星探测船的姿态修正和控制(如“航海家四号”以光压力矩控制姿态)。利用光压作为主要推动力最简单、最典型的应用就是太阳帆。

3.太阳帆的推进原理

式中P为距离太阳1AU(一天文单位,地球到太阳的平均距离)时处的太阳辐射压强,P=4.563×10-6Pa。A为太阳帆板的面积,n为沿帆板法线方向的单位矢量。α为太阳入射角,通常是太阳帆轨道设计中的控制变量。

从式中可以看出,对理想光滑的平板型太阳帆板,光压力沿帆板法线方向。此外,当帆板一定时,光压力的模由入射角α决定。

上式是理想的完全反射状态下的加速度,然而实际的太阳帆不是完全的反射器,考虑帆面不完全反射、帆面不平与涂料等因素,太阳帆的总体效率参数η应在0.8―0.85。

由以上可知,要得到一个理想的加速度,就要尽可能降低太阳帆的面密度λ。对于一个典型的太阳帆来说,整个飞行器的面密度λ可以从20g/m2(近距离航行)到0.1g/m2(远距离星际航行)。

如果太阳帆的直径为300m,航天器重约5t,其面密度λ为7.07g/m2,由光压获得的推力为340N。根据理论计算,光压加速度可使太阳帆在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至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。

4.太阳帆的主要结构

4.1支撑结构

由太阳帆、系链、锚索和杆组成的整个系统需要与太阳帆的核心结构连接在一起。通过使用先进的复合材料和纤维,我们能够制造出质量很轻的可展开支撑结构。德国宇航研究院设计的太阳帆支撑结构是4根14m长的碳纤维增强复合材料管,厚度小于0.01mm,应用时需要充气钢化。

4.2太阳帆薄膜

单个光子所传送的动量非常小,必须使用大型的太阳帆来拦截大量的光子,以收集足够的能量。为了提高太阳帆的有效荷载能力,要求太阳帆超大、超轻、超薄。选择太阳帆材料时需要考虑空间环境的影响,拉伸使薄膜平整,形成近乎完美的反射面。制备太阳帆薄膜的材料,目前最好的一种是被称为“聚酰亚胺”的高分子材料制成的薄膜,它经真空镀铝后即可作为帆使用。国际上最先进的技术是:最小厚度为3μm的Kapton(聚酰亚胺)和CP―1薄膜,面密度为4.8g/m2。另外,由于聚酰亚胺具有抗热和抗宇宙射线的特性,故这种材料也被用来涂敷在人造卫星表面,用以绝热。

4.3包装展开机构

在太阳帆结构的设计中,最有挑战性的问题之一就是如何在发射过程中紧密地包装太阳帆薄膜和支撑结构,然后在轨道上可靠地展开。一般应选择与展开方法一致的包装方案,并要求包装体积最小,内部没有残存的气体;太阳帆结构中所有元件的展开应该是可控的、稳定的,以及对缺陷和小的扰动反应不敏感的;分阶段展开,即每个展开阶段结束时让系统在开始进行下一阶段展开之前达到一个稳定的状态。

原先欧美研究人员设想的帆就像飘在空中的风筝那样,大多需要在骨架上张帆。日本文化科学部宇宙科学研究所现在探讨的帆没有相应的骨架,而是卷缠在卫星主体上,靠卫星旋转产生的离心力使帆张开。因为太阳的光压非常小,所以对帆所用的材料有极高的要求:它既要轻,展开的面积又要大,而且在发射到太空前又能折叠得很小,到达一定轨道时才自动展开。由于巨大的帆进入太空前需要收藏在火箭内,因此在发射的时候,帆卷缠在卫星主体外,整体直径1m左右,非常紧凑。发射到宇宙空间后,通过卫星旋转产生的离心力,折叠的帆一点点地展开,像打开伞那样展开帆。

5.结语

太阳帆推进是直接利用太阳光的光压产生推力,无需推进剂。由于来自太阳的光线提供了无穷无尽的能源,因此,远距离的太空旅行使用太阳帆比使用传统的火箭推进器要更胜一筹。俄罗斯、日本先后做过几次类似尝试;美国也在研究太阳帆飞船,并为选择太阳帆的制造材料做了大量测试。美国宇航局正在考虑星际探索,要求太阳帆飞船历经15年以上的航程,飞行37亿千米,直到太阳系边缘,或是携带仪器探测遥远的冥王星。我们相信,在不远的将来,人类将有可能借助太阳帆邀游太空。

参考文献:

[1]郑好望.太阳帆的原理.物理学报,2006,(3).

[2]张敏贵.太阳帆推进.火箭推进,2005,31,(2).

[3]刘宇艳.可展开太阳帆技术概述.中国航天,2006,(5).

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