今天小編分享的科技經驗:三體照進現實,NASA 發射了「太陽光帆」,歡迎閱讀。
自從人類學會了抬頭,将目光望向天空與宇宙以後,大海與宇宙便成為人類探索未知的象征,一個指引我們駛向地平線的盡頭,另一個激勵我們飛向無垠的星空。
數千年來,人類一直使用風力帆作為主要推進手段在地球的海洋上航行。
現在,小說中的人類開始在太空揚帆,前些時日,NASA 将一個巨大的「帆船」送入了太空。
這艘帆船的全稱是 Advanced Composite Solar Sail System 3(高級復合材料太陽帆系統 3),最大的特點,就是不需要使用傳統燃料,而是與傳統的海上帆船一樣,使用自然中存在的物質來提供能量。
不過,就像 1979 年,第一部《異形》上映前夕的海報所說:
In space, no one can hear you scream.
在太空中,沒人能聽到你的尖叫。
這是電影史上最著名的宣傳語之一,也是太空的真實寫照:聲音無法傳播的地方,沒有空氣的存在,自然更不可能有風。
但幸好,太空并非空無一物。
在地球公轉軌道附近,每平方米的截面每秒有 10^21 個太陽發射的光子穿過,這些光子雖然沒有靜止質量,但它們有動量,當光子撞擊并反射或吸收時,會将動量傳遞給太陽帆,憑此,ACS 3 可以緩慢但持續地加速,自在地暢遊宇宙。
不過,想要光子能順利推動衛星,還是有比較嚴格的前提條件——足夠小的體積與重量、還有盡可能大的帆。
ACS 3 衛星超級小巧,只有微波爐大小。這顆衛星由 NanoAvionics 公司制造,由 12 個單元組成,整體尺寸僅為 23x23x34 厘米,在這個大小下,ACS 3 衛星整體重量為 14 千克,這比傳統的 12 單元立方體衛星還輕了 6 千克。
體積與重量的問題解決了,擺在我們面前的是這面帆,要怎麼才能做得盡量大。
展開過程中,太陽帆一旦出現出現扭曲、撕裂或未完全展開的情況,都會嚴重影響推進效率和航天器的軌迹控制。
所以,想要這面帆足夠大,重要的是支撐帆的杆子在足夠輕的同時也足夠強。
經過反復測試,ACS 3 使用的小型復合材料吊杆耐用、不易彎曲,能夠承受太空環境中的輻射、溫度變化和微流星體的衝擊;此外,它們還可以卷起來,以盡量減少存放空間,同時提供必要的剛度來支撐風帆,這四個可伸縮的吊杆展開後會分别撐開四個三角形帆,并組成一個菱形。
風帆完全展開大約需要 25 分鍾,展開後的面積約為 860 平方英尺(80 平方米),相當于一個小型公寓的占地面積。
美國國家航空航天局艾姆斯研究中心(NASA's Ames Research Center)的首席系統工程師艾倫 - 羅茲(Alan Rhodes)說:
七米長的可展開吊杆可以卷成一個手掌能握住的形狀。我們希望在這個航天器上驗證各種新技術,并激勵其他人進一步探索新技術。這項技術将推動未來的太空旅行,并擴大我們對太陽和太陽系的了解。
在一切準備就緒後,ACS 3 搭乘 Rocket Lab 的 Electron 火箭從新西蘭的發射場升空。
8 月 30 日凌晨,ACS 3 團隊收到了來自宇宙的信息,這艘宇宙帆船已經成功地展開了太陽帆和支撐吊杆。
這是 ACS 3 在低地球軌道運行的第一步,接下來,這艘太空帆船将僅利用來自太陽的光子加速,并在距離地球約 1000 公裡的軌道上繞地飛行,由于太陽帆材料的高反射率,觀星愛好者或是攝影愛好者應該可以在晴朗的夜晚看到或拍下它。
在太空揚帆,是早期航天科學家和工程師們對無燃料太空推進技術的夢想和探索。
太陽帆的概念最早由俄國科學家康斯坦丁 · 齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)和美國科學家羅伯特 · 萊特希爾(Robert L. Forward)等人提出,他們設想利用太陽光的輻射壓力來驅動航天器。
這種想法随後在科幻文學和實際科學研究中得到了廣泛傳播和讨論,《2001:太空漫遊》的作家阿瑟 · 克拉克就在他的小說《太陽帆》(The Wind from the Sun)中詳細描繪了太陽帆的太空航行:
帆如同一片巨大且薄如蟬翼的反光薄膜,在太空中展開時,它像一個巨大的銀色風筝,能夠捕捉到太陽光的微小推力,從而推動航天器緩緩前進。
在《三體》中,劉慈欣也想象過太陽帆的更多可能:人類在三體的威脅下,在太陽系布置了一個巨大的太陽帆來收集并反射太陽光,從而制造一個非常明亮的光點,向全宇宙暴露太陽系的位置,以此作為「黑暗森林理論」的威懾手段。
小說跟上了,現實也沒落下,我國對于太陽帆的研究也獲得了不小的成就。
2019 年底,由中國科學院沈陽自動化研究所研制的「天帆一号」太陽帆就搭載長沙天儀研究院潇湘一号 07 衛星,成功在軌展開。
這次實驗,驗證了微小衛星兩級主被動展開系統、可展開雙穩态杆技術、柔性帆膜材料、帆膜折疊展開技術等多項關鍵技術,标志着太陽帆關鍵技術試驗驗證任務取得成功,并邁向成熟。
雖然在劇情需要下,小說或是科幻作品中的太陽帆往往事關人類種族存亡,帶有強烈的生死對抗色彩,但現實中國内外的眾多太陽帆項目,卻是為和平、安全和持續地探索太空作出嘗試與貢獻。
無論是美國的 ACS 3 項目還是中國的天帆一号,都在嘗試擺脫燃料的限制,往宇宙更深處邁出腳步。
正如帆船曾引領人類征服海洋,如今的太陽帆,正在開拓我們前往星辰大海的新航道。