2024年9月4日星期三

三体照进现实,NASA 发射了「太阳光帆」

自从人类学会了抬头,将目光望向天空与宇宙以后,大海与宇宙便成为人类探索未知的象征,一个指引我们驶向地平线的尽头,另一个激励我们飞向无垠的星空。

数千年来,人类一直使用风力帆作为主要推进手段在地球的海洋上航行。

现在,小说中的人类开始在太空扬帆,前些时日,NASA 将一个巨大的「帆船」送入了太空。

这艘帆船的全称是 Advanced Composite Solar Sail System 3(高级复合材料太阳帆系统 3),最大的特点,就是不需要使用传统燃料,而是与传统的海上帆船一样,使用自然中存在的物质来提供能量。

不过,就像 1979 年,第一部《异形》上映前夕的海报所说:

In space, no one can hear you scream.
在太空中,没人能听到你的尖叫。

这是电影史上最著名的宣传语之一,也是太空的真实写照:声音无法传播的地方,没有空气的存在,自然更不可能有风。

但幸好,太空并非空无一物。

在地球公转轨道附近,每平方米的截面每秒有 10^21 个太阳发射的光子穿过,这些光子虽然没有静止质量,但它们有动量,当光子撞击并反射或吸收时,会将动量传递给太阳帆,凭此,ACS 3 可以缓慢但持续地加速,自在地畅游宇宙。

不过,想要光子能顺利推动卫星,还是有比较严格的前提条件——足够小的体积与重量、还有尽可能大的帆。

ACS 3 卫星超级小巧,只有微波炉大小。这颗卫星由 NanoAvionics 公司制造,由 12 个单元组成,整体尺寸仅为 23x23x34 厘米,在这个大小下,ACS  3 卫星整体重量为 14 千克,这比传统的 12 单元立方体卫星还轻了 6 千克。

体积与重量的问题解决了,摆在我们面前的是这面帆,要怎么才能做得尽量大。

展开过程中,太阳帆一旦出现出现扭曲、撕裂或未完全展开的情况,都会严重影响推进效率和航天器的轨迹控制。

所以,想要这面帆足够大,重要的是支撑帆的杆子在足够轻的同时也足够强。

经过反复测试,ACS 3 使用的小型复合材料吊杆耐用、不易弯曲,能够承受太空环境中的辐射、温度变化和微流星体的冲击;此外,它们还可以卷起来,以尽量减少存放空间,同时提供必要的刚度来支撑风帆,这四个可伸缩的吊杆展开后会分别撑开四个三角形帆,并组成一个菱形。

风帆完全展开大约需要 25 分钟,展开后的面积约为 860 平方英尺(80 平方米),相当于一个小型公寓的占地面积。

美国国家航空航天局艾姆斯研究中心(NASA’s Ames Research Center)的首席系统工程师艾伦-罗兹(Alan Rhodes)说:

七米长的可展开吊杆可以卷成一个手掌能握住的形状。我们希望在这个航天器上验证各种新技术,并激励其他人进一步探索新技术。这项技术将推动未来的太空旅行,并扩大我们对太阳和太阳系的了解。

在一切准备就绪后,ACS 3 搭乘 Rocket Lab 的 Electron 火箭从新西兰的发射场升空。

8 月 30 日凌晨,ACS 3 团队收到了来自宇宙的信息,这艘宇宙帆船已经成功地展开了太阳帆和支撑吊杆。

这是 ACS 3 在低地球轨道运行的第一步,接下来,这艘太空帆船将仅利用来自太阳的光子加速,并在距离地球约 1000 公里的轨道上绕地飞行,由于太阳帆材料的高反射率,观星爱好者或是摄影爱好者应该可以在晴朗的夜晚看到或拍下它。

在太空扬帆,是早期航天科学家和工程师们对无燃料太空推进技术的梦想和探索。

太阳帆的概念最早由俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)和美国科学家罗伯特·莱特希尔(Robert L. Forward)等人提出,他们设想利用太阳光的辐射压力来驱动航天器。

这种想法随后在科幻文学和实际科学研究中得到了广泛传播和讨论,《2001:太空漫游》的作家阿瑟·克拉克就在他的小说《太阳帆》(The Wind from the Sun)中详细描绘了太阳帆的太空航行:

帆如同一片巨大且薄如蝉翼的反光薄膜,在太空中展开时,它像一个巨大的银色风筝,能够捕捉到太阳光的微小推力,从而推动航天器缓缓前进。

在《三体》中,刘慈欣也想象过太阳帆的更多可能:人类在三体的威胁下,在太阳系布置了一个巨大的太阳帆来收集并反射太阳光,从而制造一个非常明亮的光点,向全宇宙暴露太阳系的位置,以此作为「黑暗森林理论」的威慑手段。

小说跟上了,现实也没落下,我国对于太阳帆的研究也获得了不小的成就。

2019 年底,由中国科学院沈阳自动化研究所研制的「天帆一号」太阳帆就搭载长沙天仪研究院潇湘一号 07 卫星,成功在轨展开。

这次实验,验证了微小卫星两级主被动展开系统、可展开双稳态杆技术、柔性帆膜材料、帆膜折叠展开技术等多项关键技术,标志着太阳帆关键技术试验验证任务取得成功,并迈向成熟。

虽然在剧情需要下,小说或是科幻作品中的太阳帆往往事关人类种族存亡,带有强烈的生死对抗色彩,但现实中国内外的众多太阳帆项目,却是为和平、安全和持续地探索太空作出尝试与贡献。

无论是美国的 ACS 3 项目还是中国的天帆一号,都在尝试摆脱燃料的限制,往宇宙更深处迈出脚步。

正如帆船曾引领人类征服海洋,如今的太阳帆,正在开拓我们前往星辰大海的新航道。

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