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发展到今天的水平,在有强大的火箭把航天器送入太空的条件下,利用太阳光作为航天推进力才有了实现的可能。
力不在大,时间长则灵
太阳光压的大小是与接受太阳照射的面积成正比的。受照面积越大,产生的压力越大。为了获得一定的压力,必须有足够大的受照面积,从而引出了太阳帆的概念。
太阳帆是一种面积很大,表面平整、光滑、无斑点和皱纹的薄膜,一般由聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成,表面镀铝或银,使其具有全反射的特性。
一块面积为105×105平方米(约一个足球场大小)的太阳帆,在太阳光正射下可获得大约100毫牛的力,用它推动100千克的物体,可产生1毫米/平方秒的加速度。这个加速度极其微小,只有地面重力加速度的一万分之一。
俗话说:“涓涓细流汇成大海,块块碎土堆成高山。”速度等于加速度与时间的乘积,尽管加速度非常小,只要时间足够长,终能达到一定的速度。即使航天器的加速度只有1毫米/平方秒,那么,一天以后,速度达到86.4米/秒(合时速311千米);一个月后达到2592米/秒(约2.6 倍音速);130天后,就可超过第二宇宙速度。达到11.23千米/秒;一年后可达到31.54千米/秒,足以飞出太阳系,由此可见加速度不在大,时间长则灵。
用太阳帆作动力的优点
迄今为止,航天飞行都是用化学火箭作动力,需要携带大量推进剂。想要达到的速度越大,需要的推进剂越多。由于受到可携带推进剂数量的限制,化学火箭只能短时间工作。
太阳帆用作航天动力的最大特点是:不需要携带任何推进剂或工作介质,只要有太阳光就行。太空中太阳光是用之不尽的,太阳帆工作不受时间限制,真像是一部“永动机”。它比较适用于长时间、远距离和超远程的航天飞行,例如,太阳系内的行星际航行和飞出太阳系的恒星际航行,特别是对于需要返回的航天飞行,可以免去携带回程用推进剂的重负。
用太阳帆作航天动力的另一优点是清洁、安全。太阳帆不消耗能源,不发生化学变化。不产生废气、废物,不污染环境,是人们所希望的、保护太空环境的“绿色动力”。
利用太阳帆产生的力可以用来提升或降低卫星的运行轨道;太阳帆不仅可以使航天器远离太阳飞行,调整太阳帆相对于太阳的不同角度,也能使航天器迎着太阳飞行,如同水面上帆船利用风力在帆与舵的控制下逆风行驶一样。
真假太阳风
李白有诗曰:“孤帆一片日边来。”我们可以把利用太阳光压力推动太阳帆在太空飞行比做太空帆船在“太阳风”的“吹”动下缓缓飞行,不过,这个“太阳风”不是真正意义上的太阳风,它是速度为30万千米/秒的光子流。真正的太阳风是航天技术和空间科学中所定义的,指太阳喷射出以电子、质子为主的带电粒子流,其速度远低于光速,为200~400千米/秒。它作用在航天器上产生的力比光压还小得多。
太阳帆展开试验
太阳帆在发射时,为缩小体积,包裹成一小块,到太空后能否顺利展开,是太阳帆能否正常工作的关键。所以,太阳帆在太空的展开试验成为研制工作的重要一环。
2001年7月20日美国的行星协会曾用俄罗斯的波浪号运载火箭发射“宇宙1号”太阳帆装置,打算在亚轨道上进行太阳帆展开试验。运载火箭顺利地从Borisoglebsk潜艇上起飞,升入高空。可惜功亏一篑,箭载计算机没有发出分离指令,致使太阳帆装置未能与第-火箭分离,试验没有做成。
2004年8月9日,日本用S-310小型火箭,携带两种不同形状、厚度为7.5微米的聚酯亚胺薄膜,飞向高空,进行薄膜展开试验。火箭起飞后100秒钟,升高到122千米时,打开外层的三叶草状的薄膜;当飞行230秒,上升到169千米时,打开内层的扇形薄膜。两次展开均获得成功。不过,日本的这项飞行试验只是太阳帆的展开试验,并没有试验利用太阳帆产生推进力。
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