太阳帆实验飞船“光帆2号”:光子徐来 我自盛开

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原创:王茸

校对:王婧彧 杨伯顺

美编:崔郁

后台:库特莉亚芙卡 李子琦

光子徐来 我自盛开

6月25日, 现实版钢铁侠马斯克先生的SpaceX又出了奇招。“猎鹰”重型火箭第三次成功发射,而且还是首次在夜间发射。本次猎鹰发射可谓是乘客众多,熙熙攘攘,服务群体既满足了官需,又补给了民用,还照顾到了NGO。

官需是指美国空军的太空实验计划2(STP2)以及NASA的深空原子钟(DSAC), 补给了民用是指此次发射还拓宽了人类殡葬业务的疆界,携带了Celestis公司152名客户的少量骨灰,切实实现了“宇宙这么大,带你的骨灰去看看”的承诺,可谓“骨灰的一小步,葬礼行业的一大步”。照顾到了的NGO指的就是本文的主角,非营利组织行星协会设计的光帆2号(LightSail 2)太阳帆实验飞船。

太阳帆技术(Solar Sailing)主要指的是利用太阳光压持续推进航天器的技术,从而使航天器无需携带大量燃料也可以在轨道中运行并顺利完成科学任务。与此相关的刚柔耦合以及姿态控制,也是近些年来研究太阳帆技术的热点。由于推力太小,这类航天器无法从地面起飞,需要搭载火箭进入太空。但太空中并不存在空气阻力,太阳光压所产生的小小推力仍然能为太阳帆提供动能。目前地球轨道的太阳帆已经过测试,未来在更远的空间以及星际间的测试也并非遥遥无期。

Ikaros: 前行者伊卡洛斯

伟大的天文学家开普勒在17世纪初就已经发现彗尾总是背向太阳,推断太阳光压可能和此相关。通过光压推进的航天器一般都需要一面巨大的帆,此帆需要由轻薄且可反射的材料制作。本文的主角——“光帆2号”,并不是唯一的可能成功论证光帆动力的航天器飞船。2005年时,行星学会就主导发射过全球第一个太阳帆航天器”宇宙1号” (Cosmos 1),但由于火箭故障未能进入轨道。2010年,日本的伊卡洛斯(Ikaros) 成功展示了太阳帆技术。(作者注: 伊卡洛斯是希腊神话中的人物,他与父亲用羽毛和蜡制造了羽翼来逃离克里特岛。但伊卡洛斯由于飞得过高导致太阳光融化了蜡致使羽毛散掉,从而葬身大海,埋葬伊卡洛斯尸体的海岛便成为伊卡利亚。)

日本于2010年发射伊卡洛斯探测器,是世界上第一个利用太阳帆行驶在地外空间的探测器。

(Credit: JAXA)

伊卡洛斯于2010年5月搭乘日本H-2火箭升空,同期乘客里还有著名的“晓”金星探测器(Akatsuki,同样也是历经困难终于在2015年底进入金星轨道)。Ikaros成功展示了光子在撞击到太阳帆后可以产生的效果。诚然,每一个光子能量微小,仅能产生十分微弱的推力,但假以时日,聚沙成塔,这些由每个微小光子产生的推力汇聚在一起便可以推进太阳帆前进。

但伊卡洛斯并不是完全依靠光压推进的航天器,在它那面像风筝一样的帆面上还嵌入了太阳能电池来供电。尽管这次飞行并不指望太阳能电池产生多少电力,更多的是为了之后那些不仅使用光帆,而且利用电池来推进的航天器任务做准备。伊卡洛斯在2010年6月用一种特别的自旋方式展开了自己14米宽的帆面。航天界之前普遍认为自旋展开对技术的要求极高,但日本这次伊卡洛斯的成功展开为航天界在太阳帆自旋展开技术层面的延伸和继续探索展示了巨大的潜力。同年7月, 日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)声称捕获了第一枚光子的推进。

接着,日本的研究人员开始利用太阳光在光帆边缘的不同压力来控制伊卡洛斯的方向。后来的实验结果显示,研究人员可以控制大约90%的光帆角度。从实验角度来看,伊卡洛斯的任务完成得相当出色。

LightSail: 盗火者光帆1号

2015年6月8日,光帆1号成功展开帆面后的历史性一刻。

(Credit: The Planetary Society)

光帆1号于2015年5月20日进入低地球轨道,主要肩负着向人类展示光帆核心系统运作的可行性任务。然而,光帆1号的漫游并非一帆风顺,在成功展开它那面344平方英尺(约32平方米)的帆面前,它就遇到了两次轨道故障。升空两天后光帆1号失联,幸好在一周后重启恢复了与地球的联系,这有可能是飞行控制软件出现问题导致了死机。6月3日扬帆之后,它由于电压故障再度失联,经历了两三天才恢复稳定。由于在地球低轨道进行实验,光帆1号在完成任务后便直接坠入地球大气层。

光帆1号的历程起伏跌宕,坎坷不断,完全体现了航天科学试错、排除困难、再次试错的不懈精神。开创性的贡献,使它成为太阳能航天器界的盗火者。

LightSail 2: 后继者光帆2号

光帆2号遨游地球上空艺术想象图。

(Credit: Josh Spradling/The Planetary Society)

从这个角度看,展开后的光帆2号很像一块大大的手帕。

(Credit: The Planetary Society)

如果光帆2号顺利通过了73项“健康检查”,本周初,这个小个子会展开它那薄如蝉翼的四面帆,最后达到一个拳击场大小的面积(约32平方米)。届时,太阳光将给这个小家伙温柔地一推,之后的一个月里,科研人员将密切关注光帆2号的轨道是否发生位移。

当光帆2号的帆面完全展开后,它就会利用动量轮来调整帆的方向,就像帆船一样利用风和帆来进行转向。迎风航行时,也就是迎着太阳行驶时,光帆会保持一定的倾角,有效利用推力。顺风航行时,也就是背向太阳行驶时,光帆会舒展帆型以适应侧向边缘接触的光子,获取微弱的推力。要想理解光压的微弱程度,大家可以想象为一枚回形针在你手掌上的压强。而这些关于推力、光压以及位移的数据和研究结果将帮助论证光帆在推进航天器方面的可行性。或许未来的某一天,我们真的可以利用太阳光压,漫游宇宙。

如果大家是光帆2号的粉丝,可以浏览http://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/lightsail-mission-control.html 去关注它的状态, 还可以看看它何时会飞掠你的上空,在光污染不严重的区域,有机会裸眼看到光帆2号会是很有乐趣的一件事。

上图就是大家浏览行星学会网站时可以看到的光帆2号轨迹图, 小家伙正要飞掠马达加斯加呢 (北京时间:2019年7月7日 9:06 AM),希望仰望星空的大家也可以发现它,祝福它。

(Credit: The Planetary Society)

人类奔向太空,始终步履不停。大航海时代的精神,穿越地球的海洋区域到达了更高的太空,利用风帆原理在太空里远行的太阳帆,或许昭示着下一代飞船发动机的未来。

参考文献:

1. LightSail 2 Sends Back 1st Signals from Its Solar-Surfing Test Flight, link: https://www.space.com/lightsail-2-sends-back-first-signals.html

2. What to Expect When LightSail 2 Launches into Space, link: https://www.space.com/what-to-expect-lightsail-2-solar-sail.html

3. Ikaros: First Successful Solar Sail, link: https://www.space.com/25800-ikaros-solar-sail.html

4. LightSail Spacecraft Snaps Solar Sail Selfie in Space, link: https://www.space.com/29628-lightsail-solar-sail-success-photo.html

5. Sailing on Sunbeams: Planetary Society's LightSail 2 to Soar Higher Than Space Station, link: https://www.space.com/lightsail-2-solar-sail-planetary-society-spacecraft.html

6. 太阳帆航天器的关键技术 作者:胡海岩 发表于《深空探测学报》 2016年4期

7. LightSail 2 Healthy as Mission Team Continues Spacecraft Checkouts,link: http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/lightsail-2-healthy-checkouts.html

责任编辑:杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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