光壓原理在太陽帆推進中的應(yīng)用

摘 要: 太陽帆推進是直接利用太陽光的光壓產(chǎn)生推力，無需推進劑。由于來自太陽的光線提供了無窮無盡的能源，因此，遠距離的太空旅行使用太陽帆比使用傳統(tǒng)的火箭推進器要更勝一籌。

關(guān)鍵詞: 太陽帆 光壓原理 太陽帆推進

1.引言

1969年，為使3名宇航員乘坐阿波羅11號宇宙飛船實現(xiàn)具有歷史意義的登月之旅，110多米高的運載火箭共攜帶了2500噸燃料。人們長期以來為擺脫龐大的運載工具，一直設(shè)想開發(fā)一種以陽光為能源的光帆航天器。

上個世紀初，幾位科幻小說家曾寫過有關(guān)用反射鏡面推動宇宙飛船的故事。但直到1924年，俄國航天事業(yè)的先驅(qū)康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和其同事才提出“用照到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”，這種設(shè)想成為今天建造太陽帆的基礎(chǔ)。

2.光壓原理

光是由沒有靜態(tài)質(zhì)量但有動量的光子構(gòu)成的。當光子撞擊到光滑的平面上時，會像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給撞擊物體以相應(yīng)的作用力。為便于讀者理解光壓的計算過程，我們先研究乒乓球?qū)Ρ诘膲毫Α?/p>

假設(shè)有很多質(zhì)量為m的乒乓球以水平速度v持續(xù)不斷地打到豎直墻面上，與墻碰撞后以原速彈回。若在時間△t內(nèi)有N個球與墻發(fā)生了碰撞，則每個球的動量變化量為△p=mv-(-mv)=2mv，這里取返回時的速度方向為正方向。由于大量的球與墻發(fā)生持續(xù)的碰撞，因此可以認為墻受到了均勻的壓力F，根據(jù)動量定理有:F=2Nmv/△t。如果令單位時間內(nèi)與墻碰撞的球數(shù)為n，則n=N/△t，這樣壓力就可以表達得更簡單:F=2nmv。

現(xiàn)在我們把乒乓球想象為光子，并用同樣的物理規(guī)律來計算光對墻的壓力。根據(jù)愛因斯坦的光子理論，每個光子的能量為E=hν;根據(jù)他的相對論，每個光子的能量為E=mc2，其中m、c分別表示光子的運動質(zhì)量和在真空中的速度。

組成光線的粒子(即光子)在遇到物體后，能夠?qū)ξ矬w產(chǎn)生壓力，這就是光壓。早在1748年，L.歐拉就指出光壓的存在，這被后來的英國物理學(xué)家麥克斯韋首先用電磁場理論推證出來。1899年，俄國物理學(xué)家列別捷夫用實驗證實了光壓的存在，并和美國物理學(xué)家尼科斯、赫耳分別用精密實驗測定了光壓的大小，其值與理論相符。目前，光壓動力已被用于行星探測船的姿態(tài)修正和控制(如“航海家四號”以光壓力矩控制姿態(tài))。利用光壓作為主要推動力最簡單、最典型的應(yīng)用就是太陽帆。

3.太陽帆的推進原理

式中P為距離太陽1AU(一天文單位，地球到太陽的平均距離)時處的太陽輻射壓強，P=4.563×10-6Pa。A為太陽帆板的面積，n為沿帆板法線方向的單位矢量。α為太陽入射角，通常是太陽帆軌道設(shè)計中的控制變量。

從式中可以看出，對理想光滑的平板型太陽帆板，光壓力沿帆板法線方向。此外，當帆板一定時，光壓力的模由入射角α決定。

上式是理想的完全反射狀態(tài)下的加速度，然而實際的太陽帆不是完全的反射器，考慮帆面不完全反射、帆面不平與涂料等因素，太陽帆的總體效率參數(shù)η應(yīng)在0.8—0.85。

由以上可知，要得到一個理想的加速度，就要盡可能降低太陽帆的面密度λ。對于一個典型的太陽帆來說，整個飛行器的面密度λ可以從20g/m2(近距離航行)到0.1g/m2(遠距離星際航行)。

如果太陽帆的直徑為300m，航天器重約5t，其面密度λ為7.07g/m2，由光壓獲得的推力為340N。根據(jù)理論計算，光壓加速度可使太陽帆在200多天內(nèi)飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000m，它獲得的15000N推力就能把重約5t的航天器送到太陽系以外。由于來自太陽的光線提供了無盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以67km/s的速度前進，這個速度要比當今以火箭推進的航天器快4—6倍。

4.太陽帆的主要結(jié)構(gòu)

4.1支撐結(jié)構(gòu)

由太陽帆、系鏈、錨索和桿組成的整個系統(tǒng)需要與太陽帆的核心結(jié)構(gòu)連接在一起。通過使用先進的復(fù)合材料和纖維，我們能夠制造出質(zhì)量很輕的可展開支撐結(jié)構(gòu)。德國宇航研究院設(shè)計的太陽帆支撐結(jié)構(gòu)是4根14m長的碳纖維增強復(fù)合材料管，厚度小于0.01mm，應(yīng)用時需要充氣鋼化。

4.2太陽帆薄膜

單個光子所傳送的動量非常小，必須使用大型的太陽帆來攔截大量的光子，以收集足夠的能量。為了提高太陽帆的有效荷載能力，要求太陽帆超大、超輕、超薄。選擇太陽帆材料時需要考慮空間環(huán)境的影響，拉伸使薄膜平整，形成近乎完美的反射面。制備太陽帆薄膜的材料，目前最好的一種是被稱為“聚酰亞胺”的高分子材料制成的薄膜，它經(jīng)真空鍍鋁后即可作為帆使用。國際上最先進的技術(shù)是:最小厚度為3μm的Kapton(聚酰亞胺)和CP—1薄膜，面密度為4.8g/m2。另外，由于聚酰亞胺具有抗熱和抗宇宙射線的特性，故這種材料也被用來涂敷在人造衛(wèi)星表面，用以絕熱。

4.3包裝展開機構(gòu)

在太陽帆結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，最有挑戰(zhàn)性的問題之一就是如何在發(fā)射過程中緊密地包裝太陽帆薄膜和支撐結(jié)構(gòu)，然后在軌道上可靠地展開。一般應(yīng)選擇與展開方法一致的包裝方案，并要求包裝體積最小，內(nèi)部沒有殘存的氣體;太陽帆結(jié)構(gòu)中所有元件的展開應(yīng)該是可控的、穩(wěn)定的，以及對缺陷和小的擾動反應(yīng)不敏感的;分階段展開，即每個展開階段結(jié)束時讓系統(tǒng)在開始進行下一階段展開之前達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

原先歐美研究人員設(shè)想的帆就像飄在空中的風箏那樣，大多需要在骨架上張帆。日本文化科學(xué)部宇宙科學(xué)研究所現(xiàn)在探討的帆沒有相應(yīng)的骨架，而是卷纏在衛(wèi)星主體上，靠衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使帆張開。因為太陽的光壓非常小，所以對帆所用的材料有極高的要求:它既要輕，展開的面積又要大，而且在發(fā)射到太空前又能折疊得很小，到達一定軌道時才自動展開。由于巨大的帆進入太空前需要收藏在火箭內(nèi)，因此在發(fā)射的時候，帆卷纏在衛(wèi)星主體外，整體直徑1m左右，非常緊湊。發(fā)射到宇宙空間后，通過衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，折疊的帆一點點地展開，像打開傘那樣展開帆。

5.結(jié)語

太陽帆推進是直接利用太陽光的光壓產(chǎn)生推力，無需推進劑。由于來自太陽的光線提供了無窮無盡的能源，因此，遠距離的太空旅行使用太陽帆比使用傳統(tǒng)的火箭推進器要更勝一籌。俄羅斯、日本先后做過幾次類似嘗試;美國也在研究太陽帆飛船，并為選擇太陽帆的制造材料做了大量測試。美國宇航局正在考慮星際探索，要求太陽帆飛船歷經(jīng)15年以上的航程，飛行37億千米，直到太陽系邊緣，或是攜帶儀器探測遙遠的冥王星。我們相信，在不遠的將來，人類將有可能借助太陽帆邀游太空。

參考文獻:

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