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| 本文作者： 張偉 | 2016-04-19 16:05 |
編者按：本文作者芷水，來自星際航行
4月12日霍金和米爾納共同宣布啟動(dòng)“突破攝星”的計(jì)劃，這是人類歷史上前所未有的以尋找太陽系外宜居星球?yàn)槟繕?biāo)的太空探索計(jì)劃。
從該項(xiàng)目網(wǎng)站上公布的信息我們可以得知：“突破攝星”計(jì)劃的目標(biāo)任務(wù)是在我們這一代人的有生之年，抵達(dá)半人馬座阿爾法星（AlphaCentauri）。核心內(nèi)容是納米探測(cè)器（Nanocrafts）和地面激光推進(jìn)裝置（Light Beamer）。
納米探測(cè)器包含星芯（StarChip）和光帆（Lightsail）兩個(gè)主要部分。星芯包括相機(jī)、光子推動(dòng)器（photonthruster）、動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)、導(dǎo)航和通訊設(shè)備，屬于微型完整的空間探測(cè)器，總重量是幾克乃至幾十克，光帆質(zhì)量為幾克乃至幾十克。激光推進(jìn)裝置由若干激光陣列構(gòu)成，每次發(fā)射需要產(chǎn)生和存儲(chǔ)的能量，大約相當(dāng)于幾百萬度（千瓦時(shí)）的電量。
通過項(xiàng)目實(shí)施網(wǎng)站的描述，我們認(rèn)為整個(gè)項(xiàng)目的飛行過程如下：
在高海拔的干燥地區(qū)，建立陸基的、范圍為幾公里的激光相控陣列，中國(guó)的西藏高原是備選發(fā)射地之一。
每次發(fā)射時(shí)需要產(chǎn)生和存儲(chǔ)的能量大約相當(dāng)于幾百萬度電（gigawatt hours）。
發(fā)射搭載幾千個(gè)納米探測(cè)器的衛(wèi)星飛到高緯近地軌道上。
采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，消除大氣層對(duì)激光光束的干擾 。
把激光束聚焦在光帆上，在幾分鐘內(nèi)，把納米探測(cè)器加速到五分之一的光速。
星際航行有可能遇到星際塵埃損失掉部分探測(cè)器。
用納米探測(cè)器上的激光通訊系統(tǒng)將拍攝到的行星圖像和其他科學(xué)數(shù)據(jù)傳回到地球上。
利用納米探測(cè)器的激光探測(cè)裝置收集4光年后的數(shù)據(jù)。
計(jì)劃的技術(shù)難點(diǎn)
據(jù)該網(wǎng)站說：所有的關(guān)鍵要素要么是已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)的，要么就是在合理假設(shè)下有可能在近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。
“突破攝星”計(jì)劃將在開放、合作的研究環(huán)境中進(jìn)行，完全屬于基礎(chǔ)科學(xué)研究；發(fā)表新結(jié)果，完全透明、開放獲??；對(duì)所有相關(guān)領(lǐng)域的專家開放，對(duì)公眾開放，誰都可以到項(xiàng)目網(wǎng)站的論壇來貢獻(xiàn)想法。該計(jì)劃旨在給科學(xué)和太空探索帶來革命性的變化，目前已經(jīng)獲得1億美元的研究經(jīng)費(fèi)。
結(jié)合美國(guó)去年公布的《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報(bào)告來看這個(gè)項(xiàng)目，不難發(fā)現(xiàn)此項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)主要集中在兩個(gè)部分，一是需解決星際航行中的先進(jìn)空間推進(jìn)問題，包括定向能和太陽帆推進(jìn)；二是需解決探測(cè)器的小型化問題，包括采用納米材料、結(jié)構(gòu)和制造問題，只有這兩個(gè)基礎(chǔ)性的前沿科技問題解決了，尋找人類適應(yīng)生存的目的地星球的視野才能放寬到太陽系外。這兩個(gè)問題在《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報(bào)告中都有詳細(xì)的分析。
先進(jìn)空間推進(jìn)技術(shù)
先進(jìn)空間推進(jìn)技術(shù)主要包括定向能推進(jìn)、太陽帆或阻力帆推進(jìn)、電帆推進(jìn)、聚變推進(jìn)、反物質(zhì)推進(jìn)、先進(jìn)裂變推進(jìn)等，采用這些技術(shù)可以提高空間探索的有效性，提高空間任務(wù)的靈活性，并可實(shí)現(xiàn)在目的地完成一系列科研任務(wù)的目標(biāo)。這些技術(shù)的技術(shù)生熟度目前還都不高約2-5級(jí)，能在工程應(yīng)用驗(yàn)證成熟后正式服役的技術(shù)為9級(jí)技術(shù)成熟度。
“突破攝星”中提出的在地面高緯度地區(qū)放置范圍幾千公里的激光相控陣，通過激光給納米探測(cè)器加速至20%光速，就屬于定向能推進(jìn)技術(shù)。
定向能推進(jìn)是指從地基或空基能量站發(fā)出的激光或微波能射向軌道飛行器，用于加速軌道飛行器，同傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，定向能推進(jìn)可使飛行器獲得較大的加速速度。
這項(xiàng)技術(shù)的遠(yuǎn)期目標(biāo)是使用高比沖推進(jìn)系統(tǒng)（例如從地基發(fā)射激光）實(shí)現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括帶有自適應(yīng)、實(shí)時(shí)光學(xué)追蹤的大型地面或空間能量源；陶瓷復(fù)合材料、冷卻及光技術(shù)；推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)的研制工作也是難點(diǎn)。
這項(xiàng)技術(shù)目前的技術(shù)成熟度為2[含義為形成潛在應(yīng)用和初步的技術(shù)單元概念，但尚未驗(yàn)證]，美國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成了小規(guī)模試驗(yàn)驗(yàn)證，使用10kW脈沖激光器可實(shí)現(xiàn)230ft高度自由飛，行星軌道轉(zhuǎn)移試驗(yàn)件已經(jīng)完成，比沖估計(jì)達(dá)到500s；這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)目標(biāo)是使用定向能實(shí)現(xiàn)立方星的軌道變更，最短技術(shù)成熟時(shí)間為5年，技術(shù)成熟度達(dá)到5[含義為識(shí)別技術(shù)單元的關(guān)鍵功能，定義與之相關(guān)的相關(guān)環(huán)境。建造用于在相關(guān)環(huán)境下驗(yàn)證性能的原理樣件（非全尺寸），受制于尺寸效應(yīng)]。
“突破攝星”中提到的另一種先進(jìn)空間推進(jìn)技術(shù)是太陽帆推進(jìn)的技術(shù)，是指利用類似于鏡子的大型帆反射太陽光產(chǎn)生推力，帆面采用輕質(zhì)并具有反射特性的材料制造而成。
持續(xù)的太陽光壓能夠提供有效主動(dòng)力，不需要耗費(fèi)任何推進(jìn)劑或其他能源，可以執(zhí)行速度增量大以及工作時(shí)間長(zhǎng)的深空探測(cè)任務(wù)。通過研制尺寸更大的太陽帆和能力更強(qiáng)的太陽帆推進(jìn)系統(tǒng)，可以幫助NASA開展更多的任務(wù)和任務(wù)類型。
按照NASA的計(jì)劃安排：
第一代太陽帆需要足夠的速度增量將壽命長(zhǎng)達(dá)10年的航天器送到地日之間的拉格朗日點(diǎn)L1，將航天器置于地日連線的固定位置上，預(yù)計(jì)探測(cè)器ΔV＞20km/s，在3年時(shí)間內(nèi)用于“日地關(guān)系探測(cè)器”計(jì)劃上。
第二代太陽帆需要足夠的速度增量將壽命為10年以上的航天器送入0.48個(gè)天文單位以遠(yuǎn)的以太陽為中心的軌道上（傾角在75度以上），預(yù)計(jì)探測(cè)ΔV＞30km/s，在2年時(shí)間內(nèi)用于“太陽風(fēng)探測(cè)器”計(jì)劃上。
第三代太陽帆需要足夠的速度增量將旅行者一類的航天器送到250個(gè)天文單位以遠(yuǎn)的位置，要求在20年內(nèi)發(fā)射，預(yù)計(jì)探測(cè)器ΔV＞40km/s，在2年時(shí)間內(nèi)用于“亞軌道探測(cè)器”計(jì)劃上。
要達(dá)到這樣的要求，需要厚度小于3微米的太陽帆，所需的面積為1600m2、22500m2和90000m2。這些技術(shù)挑戰(zhàn)都和太陽帆的規(guī)模相關(guān)，包括制造、封裝、部署、制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制，這項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)成熟度為5，美國(guó)已經(jīng)展開20m×20m地面系統(tǒng)驗(yàn)證，3μm厚度，預(yù)計(jì)在2-3年時(shí)間內(nèi)技術(shù)成熟度可達(dá)到7（含義為在地面或空間環(huán)境下演示使用環(huán)境下的性能。建造并試驗(yàn)?zāi)軌蚍从筹w行模型設(shè)計(jì)的所有因素的典型模型，為在使用環(huán)境中演示性能留足余量），探測(cè)器使用壽命＞10年。
此外在《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報(bào)告中指出美國(guó)在納米材料和納米制造方面的最新進(jìn)展可減輕太陽帆質(zhì)量、提高耐久性和性能的方法。
靜電紡絲被證實(shí)可用來生產(chǎn)用作超輕膜的低密度納米級(jí)纖維氈，以取代太陽帆所用的傳統(tǒng)聚合物膜?？梢酝ㄟ^使用納米級(jí)材料添加劑（如碳納米管、粘土或石墨烯）來改善強(qiáng)度和對(duì)空間環(huán)境的耐受性（原子氧、輻射）。靜電紡絲納米纖維結(jié)合自適性納米復(fù)合材料可以用于轉(zhuǎn)向太陽帆的開發(fā)。這項(xiàng)技術(shù)有望在5年內(nèi)技術(shù)成熟度從3提高到6。
星際航行一直都是許多人的夢(mèng)想，以目前科技水平來看雖然實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想面臨著眾多的技術(shù)障礙，但是霍金教授稱，夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)的速度可能比我們想象的要快得多。結(jié)合美國(guó)《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報(bào)告中對(duì)先進(jìn)空間推進(jìn)基礎(chǔ)技術(shù)的研究進(jìn)展情況來看，這句話可不是忽悠?。?/p>
扎實(shí)的基礎(chǔ)研究功底加上大膽的科學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)，以及充足科研資金支持和開放的科研創(chuàng)新環(huán)境，一切夢(mèng)想皆有可能！
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