一种新型推进系统将向航天器投掷超高速颗粒用以加速航天器

今天，许多的太空机构正在研究先进的推进思想，希望能够快速过境到太阳系的其他天体。其中包括美国宇航局的核热或核电推进（NTP/NEP）概念，该概念可以使到火星的运输时间在100天（甚至45天）内，还有中国的核动力宇宙飞船，可以探索海王星及其最大的卫星海卫一。虽然，这些想法和其他想法可能会实现星际探索，但要超越太阳系，仍面临着一些重大挑战。

上图：用于突破性空间探测的颗粒束推进器的图形描绘。

当前，使用传统推进器的宇宙飞船需要19000到81000年才能到达最近的恒星比邻星（Proxima Centauri，距离地球4.25光年）。为此，工程师们一直在研究无人飞船的方案，这种航天器依靠定向能光束（激光）可以将光帆加速到光速的一小部分。加州大学洛杉矶分校的研究人员提出了一个新想法，扭转了波束帆的想法：一种颗粒波束概念，可以在不到20年的时间内将1吨重的航天器加速到太阳系边缘。

这个名为“突破性空间探索的颗粒束推进”的概念是由加州大学洛杉矶分校（UCLA）机械与航空航天工程助理教授阿图尔·达沃扬（Artur Davoyan）提出的。该提案是NASA创新先进概念（NIAC）计划选择的14个提案之一，作为其2023年选择的一部分，该计划授予了总计17.5万美元的赠款，用于进一步开发这些技术。阿图尔·达沃扬的提议建立在最近利用定向能量推进（DEP）和光帆技术实现太阳引力透镜的基础上。

上图：引力透镜星系形成爱因斯坦环的图像。

阿图尔·达沃扬教授表示，宇宙飞船的问题在于它们仍然受制于火箭方程：

“目前所有的航天器和火箭都是通过膨胀燃料飞行的。燃料丢弃得越快，火箭的效率就越高。但是，我们能带上飞行器的燃料是有限的。因此，航天器可以加速到的速度也是有限的。这个基本极限是由火箭方程决定的。‘火箭方程’的局限性导致了相对缓慢和昂贵的太空探索。像太阳引力透镜这样的任务在目前的航天器上是不可行的。”

太阳引力透镜（SGL）是一个革命性的提议，它将是有史以来最强大的望远镜。例如，在2020年被选为 NIAC III 期开发的太阳引力透镜。这一概念依赖于爱因斯坦广义相对论中预测的一种被称为引力透镜的现象，即大质量物体改变时空曲率，放大来自背景物体的光。这项技术使天文学家能够以更高的分辨率和精度研究遥远的天体。

通过将航天器放置在日球层顶（距离太阳约500个天文单位），天文学家可以用直径约100公里（62英里）的主镜的分辨率来研究系外行星和遥远的天体。目前，面临的挑战是开发一种推进系统，使航天器能在合理的时间内到达这一距离。迄今为止，唯一到达星际空间的航天器是旅行者1号和2号探测器，它们于1977年发射，目前分别距离太阳159和132个天文单位。

当旅行者1号探测器离开太阳系时，它以创纪录的速度飞行，速度约为17公里/秒（38028英里/小时，或3.6天文单位/年）。尽管如此，这个探测器还是花了35年的时间才到达太阳太阳风和星际介质（日球层顶）之间的边界。以目前的速度，旅行者1号需要4万多年的时间才能飞过另一个恒星系统 —— AC+79 3888，这是一颗位于小熊座的不起眼的恒星。出于这个原因，科学家们正在研究定向能（DE）推进来加速光帆，它可以在几十年内到达另一个恒星系统。

上图：Starshot 项目是突破基金会发起的一项倡议，旨在实现人类的第一次星际航行。

阿图尔·达沃扬教授解释道，这种方法有一些明显的优势，但也有一些缺点：

“与传统的航天器和火箭不同，激光航行不需要燃料来加速。这里的加速度来自激光通过辐射压力推动航天器。原则上，用这种方法可以达到接近光速的速度。然而，激光束在很远的距离发散，这意味着航天器只能在有限的距离范围内加速。激光航行的这种限制导致了对超高激光功率的需求，在一些提议中，甚至是需要太瓦级，或者对航天器质量造成了限制。”

激光束概念的例子包括“蜻蜓计划”（Project Dragonfly），这是星际研究所（i4is）的一项可行性研究，目的是在一个世纪内到达附近的恒星系统。然后是突破摄星公司（Breakthrough Starshot），该公司提出了一个100千兆瓦（Gw）的激光阵列，可以加速克级纳米飞行器（Starchip）。以1.61亿公里（1亿英里）或光速的20%的最大速度，Starshot 将能够在大约20年内到达半人马座阿尔法星。受到这些概念的启发，达沃扬教授和他的同事们提出了一个新颖的想法：颗粒束概念。

这个任务概念可以作为一个快速穿越星际的先驱任务，就像摄星和蜻蜓一样。但为了他们的目的，达沃扬教授和他的团队研究了一种颗粒束系统，该系统将在不到20年的时间内将约900公斤（1美吨）的有效载荷推进到500天文单位的距离。

阿图尔·达沃扬教授说：“在我们的例子中，推动航天器的光束是由微小的颗粒组成的，因此，我们称之为颗粒束。每个小球通过激光消融加速到非常高的速度，然后小球携带它们的动量来推动航天器。与激光束不同，颗粒的发散速度没有那么快，这使我们能够加速更重的航天器。这些颗粒比光子重得多，携带的动量更大，可以向航天器传递更高的力。”

上图：半人马座比邻星距离的模拟地球图像，由SGL投影到距离太阳650AU的图像平面上。

此外，颗粒的小尺寸和低质量意味着它们可以由相对低功率的激光束推进。总的来说，达沃扬教授和他的同事估计，使用10兆瓦的激光束，可以将1吨重的航天器加速到每年约30天文单位的速度。对于第一阶段的工作，他们将通过不同子系统的详细建模和概念验证实验来证明颗粒束概念的可行性。他们还将探索颗粒束系统在星际任务中的效用，在我们的有生之年探索邻近的恒星。

达沃扬教授说：“颗粒束旨在通过实现到遥远目的地的快速过境任务，改变探索深空的方式。有了颗粒束，外行星可以在不到一年的时间内到达，100个天文单位大约需要三年，500个天文单位的太阳引力透镜大约需要15年。重要的是，与其他概念不同，颗粒束可以推动重型航天器（约1吨），这大大增加了可能执行任务的范围。”

如果真的实现，太阳引力透镜（SGL）航天器，将允许天文学家以多像素分辨率直接成像邻近的系外行星（如Proxima b），并从它们的大气中获得光谱。这些观测将提供大气、生物特征，甚至可能是技术特征的直接证据。通过这种方式，让天文学家直接成像系外行星并深入研究它们的技术，也将使星际任务能够直接探索它们。

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