藝術(shù)家對(duì)即將于2025年2月發(fā)射的太陽(yáng)天內(nèi)美國(guó)宇航局太陽(yáng)巡洋艦任務(wù)的再現(xiàn)，這是到達(dá)為這項(xiàng)最新研究開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)帆類(lèi)型的一個(gè)例子。鳴謝:uux.cn/美國(guó)宇航局
（神秘的火星杭州外圍大圈伴游（電話微信180-4582-8235）真實(shí)上門(mén)外圍上門(mén)外圍女快速安排30分鐘到達(dá)地球uux.cn）據(jù)《今日宇宙》（勞倫斯·托格內(nèi)蒂）：最近提交給《宇航學(xué)報(bào)》的一項(xiàng)研究探索了使用航空石墨太陽(yáng)帆前往火星和星際空間的可能性，這將大大減少此類(lèi)任務(wù)所需的太陽(yáng)天內(nèi)時(shí)間和燃料。
這項(xiàng)研究是到達(dá)在許多組織正在對(duì)太陽(yáng)帆的使用進(jìn)行研究的同時(shí)進(jìn)行的，同時(shí)行星協(xié)會(huì)成功完成了LightSail2任務(wù)，火星并有可能為長(zhǎng)期太空任務(wù)開(kāi)發(fā)更快、太陽(yáng)天內(nèi)更有效的到達(dá)推進(jìn)系統(tǒng)。
“太陽(yáng)帆推進(jìn)具有在整個(gè)太陽(yáng)系快速運(yùn)送小有效載荷(亞千克)的火星潛力，”馬克斯·普朗克太陽(yáng)系研究所的太陽(yáng)天內(nèi)杭州外圍大圈伴游（電話微信180-4582-8235）真實(shí)上門(mén)外圍上門(mén)外圍女快速安排30分鐘到達(dá)天體物理學(xué)家、該研究的到達(dá)合著者René Heller博士告訴《今日宇宙》。“與傳統(tǒng)的火星化學(xué)推進(jìn)相比，這聽(tīng)起來(lái)小得可笑，太陽(yáng)天內(nèi)傳統(tǒng)的到達(dá)化學(xué)推進(jìn)可以將數(shù)百?lài)嵉挠行лd荷帶到近地軌道，并將其中的火星大部分送到月球、火星和更遠(yuǎn)的地方。但太陽(yáng)帆技術(shù)的關(guān)鍵價(jià)值在于速度。”
傳統(tǒng)火箭依靠燃燒化學(xué)物質(zhì)形式的燃料在飛船后部施加外力，與此不同，太陽(yáng)帆不需要燃料。相反，它們使用陽(yáng)光作為推進(jìn)機(jī)制，因?yàn)榫薮蟮拇蹲教?yáng)光子，就像風(fēng)帆在水上行駛時(shí)捕捉風(fēng)一樣。太陽(yáng)帆展開(kāi)的時(shí)間越長(zhǎng)，捕獲的太陽(yáng)光子就越多，從而逐漸提高航天器的速度。
為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，研究人員對(duì)質(zhì)量高達(dá)1公斤(2.2磅)的航空石墨制成的太陽(yáng)帆進(jìn)行了模擬，其中包括720克橫截面積為104平方米的航空石墨，可以以多快的速度到達(dá)火星和星際介質(zhì)，也稱(chēng)為日光層，使用從地球出發(fā)的兩種軌道，分別稱(chēng)為直接向外轉(zhuǎn)移和向內(nèi)轉(zhuǎn)移方法。
前往火星和日頂?shù)闹苯酉蛲廪D(zhuǎn)移方法包括太陽(yáng)帆展開(kāi)和直接離開(kāi)地球周?chē)臉O地軌道。研究人員確定，在太陽(yáng)帆展開(kāi)和離開(kāi)地球時(shí)，火星處于相對(duì)位置(地球與太陽(yáng)正對(duì))，將產(chǎn)生速度和旅行時(shí)間的最佳結(jié)果。
同樣的極地軌道部署和離開(kāi)也用于日頂軌道。對(duì)于向內(nèi)轉(zhuǎn)移方法，太陽(yáng)帆將通過(guò)傳統(tǒng)的化學(xué)火箭被運(yùn)送到距離太陽(yáng)大約0.6個(gè)天文單位(AU)的地方，太陽(yáng)帆將在那里展開(kāi)并開(kāi)始其前往火星或日頂?shù)穆贸獭５牵娇帐?yáng)帆如何使這一旅程更加可行呢？

行星協(xié)會(huì)的光帆2號(hào)在2019年11月25日繞地球飛行期間拍攝的圖像。船帆的彎曲外觀來(lái)自飛船的185度魚(yú)眼鏡頭，圖像經(jīng)過(guò)了色彩校正和去除部分失真的處理。信用:uux.cn/行星協(xié)會(huì)
“由于其每立方米0.18公斤的低密度，航空石墨削弱了所有傳統(tǒng)的太陽(yáng)帆材料，”德累斯頓理工大學(xué)的研究助理兼該研究的主要作者Julius Karlapp告訴《今日宇宙》。例如，與聚酯薄膜(一種金屬化聚酯薄膜)相比，密度要小四個(gè)數(shù)量級(jí)。假設(shè)太陽(yáng)帆產(chǎn)生的推力直接取決于太陽(yáng)帆的質(zhì)量，那么產(chǎn)生的推力要高得多。除了加速優(yōu)勢(shì)，aerographite的機(jī)械性能也很驚人。”
通過(guò)這些模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)直接向外轉(zhuǎn)移方法和向內(nèi)轉(zhuǎn)移方法分別導(dǎo)致太陽(yáng)帆在26天和126天內(nèi)到達(dá)火星，前103天是從地球到0.6 AU部署點(diǎn)的旅行時(shí)間。
對(duì)于前往日頂?shù)穆贸蹋@兩種方法分別需要5.3年和4.2年，向內(nèi)轉(zhuǎn)移方法的頭103天也用于從地球到0.6天文單位部署點(diǎn)的旅行時(shí)間。向內(nèi)轉(zhuǎn)移方法更快到達(dá)日頂?shù)脑蚴翘?yáng)帆在300天達(dá)到最大速度，而向外轉(zhuǎn)移方法大約需要兩年才能達(dá)到最大速度。
目前前往火星的旅行時(shí)間在7至9個(gè)月之間，這僅在每?jī)赡暌淮蔚奶囟òl(fā)射窗口期間發(fā)生，同時(shí)依賴(lài)于任何前往或來(lái)自火星的航天器在發(fā)射和到達(dá)時(shí)兩個(gè)行星的位置對(duì)準(zhǔn)。使用美國(guó)宇航局的旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)探測(cè)器可以估計(jì)目前到達(dá)日頂?shù)穆眯袝r(shí)間，這兩個(gè)探測(cè)器分別在大約35年和41年到達(dá)日頂。
研究人員指出，使用太陽(yáng)帆的一個(gè)主要問(wèn)題是在到達(dá)目的地，特別是火星時(shí)減速，盡管他們提到aerocapture是一種解決方案，但他們承認(rèn)這仍需要進(jìn)一步研究。
“雙曲線軌道(如從地球飛往火星)的氣動(dòng)捕獲機(jī)動(dòng)利用大氣層來(lái)逐漸降低阻力造成的速度，”物理學(xué)家、德累斯頓理工大學(xué)空間系統(tǒng)教授、該研究的合著者馬丁·塔伊馬爾博士告訴《今日宇宙》。
“因此，進(jìn)入火星軌道需要更少的燃料。我們使用這種制動(dòng)策略來(lái)消除對(duì)額外制動(dòng)推進(jìn)器的需要，從而減少航天器的質(zhì)量。我們目前正在研究哪些替代策略可能對(duì)我們有用。然而，制動(dòng)方法只是我們目前面臨的眾多不同挑戰(zhàn)之一。”
雖然太陽(yáng)帆技術(shù)早在20世紀(jì)70年代就由美國(guó)宇航局提出，但太陽(yáng)帆技術(shù)的最近一個(gè)例子是美國(guó)宇航局的太陽(yáng)巡洋艦，目前計(jì)劃于2025年2月發(fā)射。