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电动帆——探索太阳系的全新方式

牧夫天文  · 公众号  · 科学  · 2017-10-27 07:10

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电动帆——探索太阳系的全新方式

我们都很熟悉太阳帆的设想,利用太阳光压推进飞行器航行以探索太阳系;但是除了光压之外,还有另一个获能于太阳的推进系统可以被利用:电动帆。


几周前,我(原文作者:Fraser Cain)滔滔不绝地回答了关于我最喜欢什么样的飞行器推进系统的问题,回答包括太阳帆、核驱动、以及离子引擎等等。然而还有一种推进系统也正在发展,我却忘了讲,那就是电动帆,它是最棒的驱动飞行器的方案之一。


用太阳帆的飞行器需要用激光导航,艺术想象图.

Credit: NASA.


你们也许已经知道,太阳帆依靠从太阳射出的光子流驱动飞行器航行。尽管光子没有质量,但它具有动量,在被反射面反射时会将自身具有的动量传递给飞行器。


除了光之外,太阳也稳定地射出带电粒子流,我们称之为太阳风。一队由Pekka Janhunen领导的芬兰科学家提议建一个利用带电粒子流推进的飞行器。


为了理解Pekka的设想,我们要先知道一些概念。


太阳风遇到地球磁层的可视化图。向南的等离子体层能够削弱迎向太阳一面的太阳风,并将它们堆向地球的夜间面(中,右侧)。这些磁层可以被挤压得足够紧以重新连接在一起并将电子(图中黄色的点)直接送入上层大气层,产生极光。

Credit: JPL


首先,太阳会释放出稳定的带电粒子流,主要包含质子和电子,从各个方向向外飞散。


太阳的日冕层存在某种力学机制,可以把这些带电粒子加速到逃逸速度,大概在250km/s到750km/s之间。但是天文学家还没有完全确定这个机制是如何运作的。


太阳风向远离太阳的方向,也就是星际空间深处前进。它给予彗星极富特点的彗尾,并在太阳系边界形成了太阳圈——太阳风粒子与其他恒星释放出的带电粒子交汇的地方。


事实上,旅行者号几年前已飞出了太阳圈,抵达了太阳系之外的星际空间。太阳风虽然会产生直接的推力作用,就像传统意义上的风一样,但与太阳帆受到的光压相比仅是冰山一角。


这张艺术想象图描绘了旅行者进入星际空间的场景,这里被巨星百万年前释放的等离子和离子气体(图中用棕色的气体表示)所占据。

Credit: NASA.


但是太阳风是带负电的,这是驱动飞行器的关键。电动帆依靠一个横截半径仅25微米,但有20千米长的线轴放线而工作。此外还配备有太阳能电池板和一个工作功率只有几百瓦特的电子枪。


电击枪将飞行器上的电子释放到星际空间中,这样飞行器就始终带强正电。当带负电的太阳风粒子遇到带强正电的长线,就像遇到了100米宽的巨大障碍物,它们不断向长线撞去,将自身动量转移到长线和飞行器上后,使飞行器加速离开太阳。


这个加速的量是非常小的,但来自太阳风的动量交换会随着时间而累加。举个例子,如果一个1000kg的飞船具有100个这样的长线向各个方向伸展,每秒飞船可以有1mm/s的增速。也就是说第1秒飞船速度是1mm/s,第2秒是2mm/s……一年后,飞船可以达到30Km/s的航行速度。作为比较,现在最快的飞船,外太空的旅行者号速度是17km/s。所以如果比这更快,毫无疑问可以达到太阳系的逃逸速度。


这个方案的缺陷在于,在地球磁层中,电动帆不能发挥作用。所以一个电动帆飞行器必须需要传统的运载火箭将其送离地球后它才能展开电动帆并驶向深空。


然而这个优点是显著的,它可以自由改变航行方向。就像太阳帆可以通过改变帆板朝向改变方向一样,太阳风粒子打在电动帆的正面,飞行器就向远离太阳的方向航行,离太阳的轨道高度变大,反之亦然。


尽管这听上去像科幻,但科学家事实上已经着手开展各种实验。爱沙尼亚原型卫星在2013年发射,但是电机放线的时候失败了。芬兰aalto-1卫星在2017年6月发射,它的发射任务中的一项就是检验电动帆。到今年晚些时候我们应该就能知道这项技术可行与否。


当然,不只芬兰科学家在关注这种推动技术。2015年,NASA授予Jahunen教授和他的队伍第二阶段创新先进概念奖,让他们继续探索这个可以更快到达外太阳系的方案。


太阳圈边界静电快速运输系统飞船(Heliopause Electrostatic Rapid Transit System,HERTS)将从飞行器中间伸展出20个长线,形成了一个巨大的环形电“帆板”,以捕捉太阳风的带电粒子。缓缓转动飞船,离心力会将这些长线释放出来。


太阳圈边界静电快速运输系统飞船(HERTS)的艺术想象图

Credit: NASA


带正电的电动帆对带负电的太阳风来说就好似一个巨大的屏障。当其完全伸展开后,电动帆能给飞船提供600平方千米的有效接收面积。离地球越远,有效面积越大。到达木星时,飞行器的有效面积可以达到1200平方千米。


当太阳帆开始失去动力的时候,电动帆还会持续加速,甚至当飞行器经过天王星时,电动帆也会持续生效。如果这项技术获得成功,HERTS飞行器到达太阳圈——距离太阳121个天文单位——只需要10年,而旅行者1号走完相同的距离却花了35年。


飞行器的航向通过飞行器改变每个长线的电压大小来实现,电压不同,太阳风对电动帆的不同部分的作用力就不同,从而实现航向的改变。就像帆船的原理一样。


在2017年9月,芬兰气象研究所提出要用这种驱动方式全面地探索小行星带这一大胆的设想。他们提出建设一个含有50颗5千克重的卫星的编队,每一颗小卫星都可以放出20Km长的线用于捕捉太阳风。在这个三年的项目中,卫星编队将到达小行星带,并对那里的近300颗独立天体进行探查。


这张图片展示了太阳系内小行星分布最密集的两个区域——火星和木星之间的小行星带,和运行在木星轨道,与木星一起绕日公转的特洛伊小行星带


每颗小卫星都会携带一个40mm口径的小望远镜,尺寸大概相当于寻星镜或者双筒望远镜的一个筒大小,但是它足以分辨出小至直径只有100米的小行星上的细节。它们也将携带红外光谱仪以探测小行星的矿物组成。或许还能借此找到那颗价值一万亿美元的纯铂金小行星呢。


因为卫星太小,因此不能将信息实时传回地球,它们必须具备储存信息的能力,并且在3年后再次路过地球时将信息传回给地球。


科学家们预计可以用7千万美元完成这个项目,每颗小行星的研究费用平均下来是24万美元。这比其他任何研究小行星的预案都要便宜。


化学火箭推进方式是可靠并为人熟知的,尽管它们也有缺陷,但它们却成功带我们穿越了太阳系,到达离地球几十亿千米的距离。现在,我们应该欢迎不需燃料并且更高效的推进方式,比如电动帆。


作者: Fraser Cain

翻译:陈艳玲

校译:陆寅枫、汪荣鑫

责任编辑:解仁江

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阿尔卑斯山,猎户座流星雨

via Austronomer76

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