微小的光帆航天器可以极大地提升探索太阳系的效率

太阳帆概念最近受到了很多关注。这在一定程度上要归功于一系列高调的任务，这些任务成功地证明了这一概念。同时，这也要归功于备受瞩目的“突破摄星”项目，该项目正在设计一项太阳帆动力任务，以到达半人马座阿尔法星。但是，这种多功能的第三推进器系统不仅适用于遥远的探险，其实，它在离家更近的地方也有优势。加州大学洛杉矶分校（UCLA）的工程师们发表了一篇新论文，阐述了这些优势是什么，以及我们如何才能最好地利用它们。

一些太阳帆项目背后真正的驱动力是激光。这些集中的光束完美地为太阳帆提供了推动力。然而，如果放大太多，它们也可以作为武器使用，蒸发任何在其路径上的东西。因此，太阳帆系统的主要设计限制之一，是材料要能够承受高功率激光轰击，又要足够轻，不会给附着在上面的飞行器带来额外的重量。

对于加州大学洛杉矶分校机械工程系的研究生 Ho-Ting Tung 和 Artur Davoyan 博士所设想的任务，重量是微乎其微的。 他们预计任何航行航天器的重量都小于100克。 这100克还将包括一个最大10平方厘米的帆阵列。

上图：这张示意图展示了如何使用激光加速比传统方法更快地到达外太阳系。

如此小的质量和大面积带来了太阳航行的巨大好处——这种推进技术可达到的最大速度比两种更传统的技术——化学推进和电力推进要快得多。 该研究侧重于通常由其他推进系统执行的两种轨道机动——一种是帆在地球轨道上移动，另一种是在行星之间旅行。

第一个系统着眼于从地球逃逸的各个阶段需要多长时间。用“? v”（即加速度），由太阳帆上的激光提供的加速度的稳定增加，将允许小型航天器在几分钟内从低地球轨道进入地球静止轨道，然后在不久之后上升到逃逸速度。

它还具有，能够比航天器有史以来最快的加速速度更快的优势 —— 这是黎明号小行星探测器在试图到达外太阳系期间保持的纪录。这个新的太阳帆将在大约半小时的激光时间内达到加速度，而黎明号用它的电子推进器耗费了5年半的时间才达到。

这种线性加速也将大大减少行星际旅行的时间。这样的太阳帆可以在20天内到达火星（通常为200天），在120天后到达木星（朱诺飞了5年），在大约 3年内到达冥王星。 旅行时间的减少意味着更多的科学机会，但前提是船上的仪器，可以装入太阳帆可以支撑的相对较小、较轻便的包装中。

不过，仪器本身并不是该计划唯一的重要部分。 可以说最重要的是帆本身的设计。 它的主要设计约束占据了本文分析的大部分。 它必须轻巧、坚固/柔韧、反射激光（以便激光推动它而不是被吸收）并且能够承受高温。

上图：来自论文的图显示了加速度时间的差异和太阳帆可能采取的潜在轨迹。

最后两个限制条件是结合在一起的，也是这篇论文的重点，因为高反射率意味着更少的需要承受高温。在选择了一种在大气中工作良好的激光器后，该团队提出了两种可以用于帆的材料 —— 氮化硅和氮化硼。 在这两种材料中，极高的反射率与热辐射率（散热能力）相结合，使它们成为满足最后两个限制条件的理想选择。

然而，为了最大限度地发挥材料的性能，它们必须以一种充分利用其材料特性的方式形成。文中分析了两种结构：“布拉格堆栈（Bragg stack）”和“导模共振 (GMR) 反射器”。布拉格堆栈是一种具有多个堆叠材料的反射器，形成波长特定的高质量反射器。另一方面，GMR反射器使用一种光栅或棱镜来控制结构反射的波长。在这两种情况下，这种结构的设计使非特定波长的激光不会被反射，从而最大限度地减少对面板阵列的过热。

上图：光帆如何工作的图示，选定的材质结构显示在底部。

最终，论文本身只是尝试为未来的任务概念提出一个设计。目前并没有任何具体的计划采纳它的建议。但是，这是朝着研究这种潜在改变游戏规则的推进技术迈出的一步，这项技术现在才刚刚开始起步。如果我们正确利用它，太阳帆可能会对太空探索的科学和经济学产生根本性的影响。

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