##

光帆可以利用太阳的能量推动航天器。

来源：美国国家航空航天局航空图片本施韦格哈特

依靠光束飞行的微型航天器可能让人类在有生之年抵达另一个恒星系统。

确认名为LHS1140b的岩石系外行星存在大气的发现，在天文学界引起了广泛关注。

该行星围绕其母星——一颗距离地球约48光年的红矮星——运行，且处于宜居带内。

宜居带是恒星周围的一个区域，在这个区域内，行星表面的温度刚好适合水以液态形式存在。

天文学家探测到了LHS1140b上层大气中正在流失的氦。

但像水这种生命的关键组成物质等更重的化合物，可能存在于该行星大气的较下层。

利用望远镜观测遥远的系外行星为科学研究打开了新的大门，但是人类是否有可能前往这些星球并进行近距离观测呢？尽管到目前为止，这通常被视为科幻小说里的情节，但新兴技术让我们能够畅想在未来几十年里开展此类任务是有可能的。

在这位艺术家的概念图中，系外行星LHS1140b位于前景，周围环绕着富含氦气的大气层。

图片来源：梅利莎韦斯哈佛大学史密森天体物理中心

用于星际探索的小型航天器

人们对用于星际航行的小型航天器特别感兴趣。

在很大程度上，这是因为与大型航天器相比，将小型航天器推进到另一个恒星系统并使其在人的有生之年到达那里，既更容易又更便宜。

传感器的小型化已取得巨大进展，例如借助智能手机技术，低质量、低功耗、小体积的高性能摄像头已被常规使用。

研究人员甚至开发出了毫米级或更小的智能尘埃传感器，能够检测光线、温度或化学物质。

太空探测器本身需要一种推进系统，能够将其加速到轻度相对论速度，比如光速的10%到20%。

经过数十年的飞行时间后，传感器将不停留地穿过目标恒星系统，进行原位观测，然后非常缓慢地向地球传回数据。

光帆可抵达邻近恒星

这虽然不是《星际迷航》那样的场景，但却是一个潜在可行的想法，能让我们近距离研究邻近恒星及其行星。

这类概念一直由一个名为突破摄星的慈善资助项目积极推进。

该项目研究了使用小型探测器进行星际旅行所需的关键技术。

光帆被视为执行此类任务最适宜的推进方式之一。

顾名思义，光帆是一种轻薄的反射膜。

NASA兰利研究中心的工程师们正在检查一个太阳帆。

展开的帆的其中一边约为30英尺（约9米）。

图片来源：NASA

在星际旅行中，来自激光的定向能量可用于推动航天器前进。

光子是构成光的能量量子包，它们既传递能量也传递动量。

因此，当光从镜子反射时，会对镜子施加压力。

激光可推动探测器达到相对论速度

在大多数情况下，光压是微乎其微的。

然而，对于足够强的光束和超轻量级的薄膜反射镜来说，光压可以作为航天器推进的一种手段。

为了将光帆加速到接近相对论速度，需要一台大功率激光器，其有效功率要达到数十吉瓦。

这不会是单个设备，相反，它可能由一系列单独的激光设备组成，这些设备同步运行以产生一束相干光。

用这样的激光推动一块直径数米的反射光帆，能在几分钟内将其加速到巡航速度。

波束动力飞行的前景与局限

光束动力推进系统的优势在于激光组件会被留在后方，只有小型有效载荷被加速飞向恒星。

相比之下，传统火箭必须携带自身的推进剂，这使得它们在这类超高能量任务中处于严重劣势。

束能推进的缺点是有效载荷难以轻易停下，因此探测器仅需几天就会穿过其目标恒星系统。

虽然现阶段以多千兆瓦激光推动光帆的设想可能有点不切实际，因为这一项目的规模太过庞大，但小型化技术的进步可能会为让微小的智能传感器节点成为我们首批星际旅行者。

或许我们最初前往星际旅行时，会让人工智能在操控位置沉睡数十年，直到它醒来，在我们的机器代理首次瞥见外星世界时，进行几天的紧张活动。

太阳帆已在飞行

除了用千兆瓦级别的激光推动光帆外，反射膜还可以借助太阳光压来推进。

这些太阳帆有着悠久而丰富的历史，最早由两位杰出的航天领域俄罗斯先驱康斯坦丁齐奥尔科夫斯基和弗里德里希灿德尔在20世纪20年代提出。

齐奥尔科夫斯基曾提到使用由极薄材料制成的巨大镜子。

虽然激光推进光帆用于未来，但太阳帆则用于当下。

已经有一些小型太阳帆被发射到地球轨道，用于技术演示目的。

为深空任务扩大太阳帆规模，可为探索我们的太阳系提供一系列新工具。

无推进剂的彗星及深空远航任务

首先，由于太阳帆无需携带推进剂，它们能够执行高能量、长时间的任务，其中一些任务对于传统航天器而言几乎是不可能完成的。

例如，与沿椭圆轨道或高倾斜轨道绕太阳运行的长周期彗星进行交会需要巨大的能量。

此外，将此类彗星的表面样本带回地球变得更加困难。

对于传统火箭推进系统而言，航天器需要携带返程所需的推进剂一路到达目标彗星。

对于太阳帆而言，返回地球与最初抵达彗星的过程并无太大区别。

太阳帆可以通过倾斜帆面来逆风航行以获得动量，从而螺旋式地远离太阳，或者翻转帆面以失去动量，进而朝着太阳螺旋式地返回。

从太阳系到外星世界

太阳帆也可以沿着非常规轨道运行，利用光压来抵消引力。

例如，这可以让太阳帆在地球两极上空静止悬停。

太阳帆和光帆是从当下迈向未来、从探索我们自己的太阳系迈向探索遥远恒星的垫脚石。

也许在未来的某个时候，光帆会造访系外行星LHS1140b。

科林麦金尼斯获得了英国皇家工程院、欧洲研究理事会和高级研究与发明局的资助。

改编自最初发表于《对话》的一篇文章。

相关知识

星系是由恒星、星云、星际物质和暗物质等组成的巨大天体系统。

它们在宇宙中广泛分布，大小和形状各异，有旋涡星系、椭圆星系和不规则星系等类型。

星系内部的天体依靠引力相互作用维系，数以亿计的恒星绕着星系中心运转，我们所在的银河系就是一个典型的星系。

BY: Colin McInnes, University of Glasgow

FY: AI

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

声明：本文内容仅代表作者个人观点，与本站立场无关。

如有内容侵犯您的合法权益，请及时与我们联系，我们将第一时间安排处理。