Question

太阳帆飞船的原理

Answer 1

人们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530.93平方米，与光压获得的推力仅为255克。 如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。
由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4~6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。
理解这一点并不难。因为在太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度。比如，发射静止轨道卫星时卫星先进入大椭圆地球转移轨道，待其运行到赤道上空3.6万公里的最大高度时，遥控指令启动星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十千克，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是这后加的推力使卫星产生新的速度，与原来的运动速度合成之后形成的最终速度为每秒3.075公里。太阳帆接受光压的作用，它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。 人类很早就学会了制造帆，利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补划桨力量的不足。对于正在探索宇宙的人类来说，现代飞船有限的化学燃料能提供的动力同样不是很有效。太空中虽然有太阳风（从太阳外层大气不断发射出的稳定的离子流）这种可以同地球上的风相比拟的动力，但令科学家们感兴趣的是推动力比太阳风大1000多倍的太阳光。
我们之所以在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力，是因为它实在微小，一平方公里面积上的阳光压力总共才9牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力(太阳光的压力)就可以让它加速，“宇宙一号”靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜，它们坚硬异常，表面上涂满了反射物质，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆板上后，帆板将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。因此，光帆的直径越大，获得的推力也越大，速度也将越快，改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。 而且，阳光的好处是不会枯竭，同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比，太阳光是无限的动力之源，只要有阳光存在的地方，它会始终推动飞船前进，光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用，那么它在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将增加到160公里，100天后飞船的时速将达到16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时16万公里，这是人类任何飞行器都没有达到过的速度，相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里达到，而最快的传统飞船至少需要9年，美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。