太阳帆是如何工作的

一个10米长的单象限太阳帆系统完全部署在弗吉尼亚州汉普顿的美国宇航局兰利研究中心一个直径50英尺的真空室里。

图片由NASA/Able Engineering提供

大约400年前，欧洲大部分地区还在进行海上探险，约翰尼斯·开普勒提出了用帆探索银河系的想法。通过他的观察，彗星的尾巴被某种太阳风吹来吹去，他相信帆可以捕捉这种风来推动宇宙飞船，就像风在海洋上推动船只一样。虽然开普勒关于太阳风的观点已经被证明是错误的，但科学家们后来发现，阳光确实施加了足够的力量来移动物体。为了利用这种力量，美国国家航空航天局(NASA)一直在试验可以由光推动穿过宇宙的巨型太阳帆。

太阳能帆板太空船有三个组成部分:

一个太阳能sail-powered飞船不需要传统的推进剂，因为它的推进剂是阳光，而太阳是它的发动机。光它是由电磁辐射构成的，对它所接触的物体施加作用力。美国宇航局研究人员发现，太阳到地球的距离为1个天文单位(AU)，相当于9300万英里(1.5亿公里)，阳光可以产生约1.4千瓦(kw)的能量。如果用1.4千瓦除以光速，你会发现太阳施加的力约为9牛顿/平方英里(即2磅/公里)²或尾数就磅/ mi²）.相比之下，航天飞机的主发动机在起飞时可以产生167万N的力，在真空中可以产生210万N的推力。然而，最终，太阳帆上持续的阳光力量可以推动航天器达到比传统火箭快5倍的速度。

现在，让我们仔细看看那些帆。

美国宇航局太阳帆推进团队在阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心创建了一个四象限太阳帆系统。美国宇航局(NASA)的格伦研究中心(Glenn Research Center)有一个直径100英尺的真空室。

照片由美国航天局/ L 'Garde

虽然太阳帆以前也设计过(美国国家航空航天局早在20世纪70年代就有一个太阳帆计划)，但直到最近十年左右，可用的材料都过于沉重，无法设计出实用的太阳帆。除了重量轻外，这种材料还必须具有高度的反射性，并能承受极端的温度。美国国家航空航天局(NASA)今天正在测试的巨型帆是由非常轻的反光材料制成的，其厚度是普通信纸的100倍以上。这种“镀铝耐温材料”被称为CP-1．另一个正在开发太阳帆技术的组织行星协会(一个总部位于加州帕萨迪纳的私人非营利组织)宇宙1该公司的太阳能帆由铝增强聚酯薄膜制成，厚度约为一层塑料垃圾袋的四分之一。

帆的反射特性是关键。当光子(光粒子)从反射材料上反弹时，它们将动量传递给帆，轻轻地推动帆前进。因为有很多来自阳光的光子，而且它们不断地撞击着帆，帆上施加的压力(单位面积的力)是恒定的，飞船的加速度是恒定的。尽管太阳帆航天器上的力比传统的化学物质要小火箭，例如航天飞机在美国，太阳帆航天器会随着时间的推移不断加速，达到更高的速度。

你可能想知道当宇宙飞船发现自己远离阳光时会发生什么。机载激光可以为船帆提供必要的推进力。

太阳能——检查。太阳帆检查。但是我们如何把帆和它们的宇宙飞船送入太空呢?让我们来看看。

在美国宇航局格伦研究中心位于俄亥俄州桑达斯基的普拉姆布鲁克设施进行的测试中，一个四分之一的、20米长的太阳帆系统已经完全展开。

照片由美国航天局

只有阳光作为能源，a太阳帆不会直接从地面发射。需要第二艘飞船来发射太阳帆，然后在太空中展开。发射太阳帆的另一种可能的方法是用微波或激光由卫星或其他航天器提供的波束。这些能量束可以指向帆，将其发射到太空，并在其旅程中提供二次能源。在NASA的一个实验中喷气推进实验室(JPL)，帆被驱动发射使用微波束，而激光束被用来推动帆前进。

一旦发射，帆就会使用一个充气臂架系统展开，该系统由内置的展开机制触发。

太阳帆将创造新的宇宙飞船速度记录，使我们能够飞出太阳系。

太阳帆技术最终会在异地恋中扮演关键角色吗美国国家航空航天局任务。但这些太阳帆能带我们走多远?它们能以多快的速度把我们带到那里?

正如我们在最后一节中发现的，太阳帆最初不会被用于发射航天飞机的力量所驱动。美国宇航局认为，太空探索类似于“乌龟和兔子”的故事，火箭推进的宇宙飞船就是兔子。在这场竞赛中，火箭推进的宇宙飞船将迅速跳出来，迅速向目的地移动。另一方面，由太阳帆驱动的无火箭航天器将以缓慢但稳定的速度开始它的旅程，随着太阳继续对其施加压力，速度逐渐加快。无论它飞得多快，火箭飞船迟早会耗尽动力。相比之下，太阳帆航天器拥有源源不断的太阳能。此外，太阳帆可能会返回地球而火箭动力运载火箭则没有任何推进剂将其带回来。

由于太阳能帆板继续被阳光推动，其速度将达到火箭动力运载工具永远无法达到的水平。这样的车辆最终将以约56英里/秒(90公里/秒)的速度行驶，这将超过20万英里/小时(32.4万公里/小时)。这个速度比航天飞机5英里/秒(8公里/秒)的轨道速度快10倍。为了让你知道它有多快，你可以在不到一分钟的时间内用最高速度的太阳帆飞行器从纽约飞到洛杉矶。

如果美国宇航局发射一个由太阳帆驱动的星际探测器，它只需要8年时间就能赶上旅行者1号宇宙飞船(距离地球最远的宇宙飞船)，旅行者1号已经飞行了20多年。美国宇航局表示，通过增加激光或磁束发射器，它可以将速度提高到1.86万英里/秒(3万公里/秒)，这是目前的十分之一光的速度．在这样的速度下，星际旅行几乎是必然的。