最快速的太陽帆？先飛向太陽吧多個太空宇航局計劃在未來的幾十年內(nèi)將宇航員送回至月球（或是第一次送往月球），并啟動首次載人飛船飛往火星。在這以及近地軌道的爆炸式發(fā)展，毫無疑問我們正處于一個全新的太空探索時代，各種星際旅行新舊概念也開始層出不窮。

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現(xiàn)今備受關注的是光帆技術，這是一種通過輻射壓產(chǎn)生推動或者通過激光加速的技術。這類概念目前還面臨著技術和工程實現(xiàn)方面的許多挑戰(zhàn)。不過來自馬克斯-普朗克天文研究所(MPIA)的Coryn Bailer-Jones在其近期主導的一項研究中表示，“sun diver”光帆將通過飛向太陽來獲取需要的全部飛行速度。近期，這項名為“sun diver：太陽帆和奧博特效應的結(jié)合”的研究，刊登在美國物理雜志上。

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Bailer-Jones表示，太陽帆和光帆的一個最大吸引點在于它們可以使飛船不再需要裝載推進劑。這將減輕飛船質(zhì)量，從而使得飛船能獲得更大的速度。這也是著名的齊奧爾科夫斯基火箭方程的結(jié)果，該方程描述了飛船通過丟棄自身質(zhì)量(推進劑)作為反推力來獲得加速。方程結(jié)果也說明火箭獲取其速度增量Δv所需要裝載的推進劑總量隨著Δv的增加，將呈指數(shù)級增長，這主要是由于大部分推進劑還需要給未反應的推進劑加速。

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到目前為止，各種概念在對太陽系的探索中得到不斷發(fā)展和實驗，包括行星協(xié)會的光帆1號和光帆2號、日本航天局的伊卡洛斯號飛行器。此外，各個組織也在探索激光加速光帆作為星際旅行的可能性，比如突破攝星計劃、蜻蜓計劃和NASA的星光計劃。在兩種情況下，光帆都有其優(yōu)勢。Bailer-Jones在給今日宇宙的郵件中寫道：“對于太陽系探索，太陽帆將能讓我們實現(xiàn)各種不同的精細操作，或者進入軌道飛行，而這通過其他方式實現(xiàn)需要大量推進劑輔助。對于星際旅行，通過太陽帆飛向離太陽足夠近的距離可以獲取逃離太陽系的最大加速度?！?/span>

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輻射陣列定相，也許即將在智利沙漠高地推進啟航。

這種方法是有益的，因為傳統(tǒng)太陽帆依靠的輻射壓力具有一定的缺點。據(jù)Bailer?Jones（貝勒·瓊斯）所述，這些缺點包括了完全依靠日光進行適量加速?！疤貏e需要指出的是，來自太陽的最大加速，太陽帆也只能展開其與太陽距離的平方那么大，”他說?！八裕斁嚯x太陽非常遠的時候并沒有什么用。”?因為輻射壓力（及其帶來的加速）在這些情況中的作用微乎其微，光帆要么需要特別輕，要么就需要特別大。

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問題的解決方法之一是依靠強有力的定向能（輻射）陣列來加速光帆的打開。這恰恰就是突破攝星、蜻蜓、星光概念所要求的，但是這樣一個陣列的建造與運轉(zhuǎn)非常昂貴。

根據(jù)Bailer-Jones（貝勒·瓊斯）所說，另一個可能的解決方法是利用奧伯特效應創(chuàng)造一個光帆。他解釋道：“奧伯特效應原理是當你在所運行的軌道上相對于所圍繞的天體是最快速度時，天體就可以成為助推，同理可適用于太陽，像潛水員一樣貼近并利用使其成為助推。在自身軌道上距離太陽越近，你就可以運行越快。所以利用奧伯特效應需要盡可能的接近太陽。”

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行星協(xié)會光帆1號太陽航天器計劃于2016年搭載SpaceX獵鷹重型運載火箭與其母衛(wèi)星Prox-1一同進入運行軌道。資料來源：Josh?Spradling?行星協(xié)會

在這一過程中，內(nèi)部裝載有少量推進燃料的宇宙飛船就可以完成環(huán)繞太陽的圓形軌道運行。到時航天器就可以完成三件事情中的一件。首先，用全部的推進燃料執(zhí)行逆向推進（這樣可以降低它的軌道速度），因此就可以在展開帆之前盡可能的貼近太陽。

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接著，它完全可以放棄潛行，并在光帆展開的時候使用完全的順行推動（增加其軌道速度）。最后，它能實現(xiàn)這二者的結(jié)合。他還想到了一種場景，即光帆在初始圓形軌道上展開，然后再使用助推器加速。

考慮了所有情況后，Bailer Jones總結(jié)道，航天器能執(zhí)行完全逆行推動加速以盡快接近太陽，一旦到達近日點就打開它的帆。而且根據(jù)他的計算，用這種方式的話帆的最終速度就能達到近350 km/s，也就是能實現(xiàn)1260000 Km/h！

這顯然比化學火箭所能達到的速度快得多。目前記錄的最快的航天器是帕克太陽探測器，它能達到的最大速度大概是246,960 km/h，但仍需要打開光帆飛行大約2865年才能到達比鄰星附近。

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在藝術家的描繪中，裝有太陽帆的IKAROS太空探測器在飛行中是一個典型的正方形風帆結(jié)構(gòu)。圖片來源：維基共享資源/Andrzej?Mirecki

正如Bailer Jones所言，材料科學的局限性對航天器所能實現(xiàn)離太陽的距離有限制。他說：“如果你的航天器在不用所能實現(xiàn)的加速的情況下能承受到達太陽的距離，接著你就可以傾斜著帆螺旋前進，使其盡可能地接近太陽，然后再加速前行?！?/span>

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此外，他主要研究單個轉(zhuǎn)移軌道所能實現(xiàn)的目標。另外，他還聲稱他所確定的三種脈沖方法的最佳組合在兩個轉(zhuǎn)移軌道上也可以產(chǎn)生更高的速度。但其實，太陽旅行者也有很多任務是可以實現(xiàn)的，尤其是在接近地球的地方。

“奧伯斯效應在實際運用中可能會受到限制，然而，在很多任務上你不僅對速度感興趣，你還想去控制你前進的方向以及你到達準確目的地的時間。因此，符合這些條件可能與奧伯斯效應的最大可能增速是并不相容的?！?/span>

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至于星際間的飛行任務，不管是否涉及“太陽旅行者”或定向能推進概念，都必須得等到材料科學進步后才能完成了。所幸材料科學以及其他方面的發(fā)展在未來幾年里是可以預見的，如果實現(xiàn)，勢必會對太空探測帶來重大的影響！

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參考資料：

1.太陽帆（也稱為光帆，特別是它使用來自于太陽以外的光源時）是使用巨大的薄膜鏡片，以太陽的輻射壓做為太空船推進力的一種計劃。輻射壓非常小，但不同于火箭的是，太陽帆不需要燃料。推進力雖然很小，但是只要太陽繼續(xù)照耀著，太陽帆就能繼續(xù)運作。

2.派克太陽探測器（英語：Parker Solar Probe，縮寫：PSP）又譯帕克太陽探測器，簡稱派克號或帕克號，舊稱太陽探測器（Solar Probe）或太陽探測器 +（Solar Probe Plus 或 Solar Probe+）[8]，是NASA于2018年發(fā)射的無人航天器，其任務是反復的探測和觀察太陽的外日冕[3][9][6]。它將在2025年最接近太陽，與太陽中心距離僅有9.86太陽半徑（690萬公里或430萬英里）[10][11]，屆時的速度高達690,000?km/h（430,000?mph），或是光速的0.064%[10][12]。

3.IKAROS:是由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)開發(fā)的試驗性太空探測器。IKAROS于2010年5月21日以日本的?H-IIA?火箭和破曉號金星氣象衛(wèi)星以及其他四個小衛(wèi)星一起發(fā)射。IKAROS 是世界第一個成功在行星際空間運作的太陽帆[3][5]。該太陽帆的名字由日本航太工程師森治取名自希臘神話中的人物伊卡洛斯[6][7]。

4.delta-v：ΔV在天文動力學中字面上的意思是“方向和速度的變化”，但是ΔV也有特殊的意思：一個標量的單位用來測量一個軌跡變換用多少“作用力”，比如在改物質(zhì)的軌道。

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作者：MATT WILLIAMS

FY：Astronomical volunteer team

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