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太阳帆

时间:2013-11-23来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华机器视觉网 点击:

太阳帆

石鑫华机器视觉网:太阳帆(也称为光帆,特别是它使用来自于太阳以外的光源时)是使用巨大的薄膜镜片,以太阳的辐射压做为太空船推进力的一种计划。辐射压不仅非常小,而且与太阳距离的平方成反比,但不同于火箭的是,太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小,但是只要太阳继续照耀着,太阳帆就能继续运作。
太阳能集热器、温度控制面板和阳光下的树荫都可以视为特殊的太阳帆,太阳帆可以帮助在轨道上的太空船调整飞行姿态或是对轨道做少量的修正而无须耗费燃料,而用别的方法都必须消耗燃料才能操纵或控制飞行姿态。已经有一些小规模的,为特定目的建造的太阳帆被尝试过。一些无人太空船,像先锋10号,曾经成功的以这些技术延长了产品使用的期限。
太阳帆的科学性已经有良好的证明,但是处理大型太阳帆的技术仍未成熟,使得任务规划者不愿意贸然的投资下数以百万计的预算去开发太阳帆的操控结构。这种轻忽的心态使一些热心的民间机构试图私下发展,例如宇宙1号的计划。
太阳帆的观念是17世纪德国的天文学家开普勒最早提出的 ,在1920年待后期,福禄贝尔·占德经过近十年的淬练才再度提出此一观念。
太阳帆的构想图
太阳帆的构想图

如何工作

太空船配置一个巨大的薄膜镜片来反射太阳或其他来源的光,照射在镜面上的光经由光子的反射产生辐射压提供了微小的推力,调整反射风帆与太阳间的角度可以让太空船受到的推力方向相对应的产生改变。在大部分的设计中,都使用辅助的空气舵来控制方向,以小太阳帆来改变大太阳帆的姿态(参考图解),空气舵通常都使用电动马达来操作。
因此,在轨道上的风帆不需要盘旋或移动以指向或离开太阳,几乎所有的任务都可以使用风帆来改变轨道,而不是直接的推离开行星或太阳。当在环绕着行星运转时,风帆是在轨道被缓慢的转动着,推力的作用是让太空船从低轨道运动至高轨道,并使他不要落入低轨道上。当轨道距离行星够远时,风帆会环绕着太阳继续相似的回旋运动。
最适合太阳帆进行的任务是在太阳附近的回旋,那里有充裕的光子,帆的效率最高。也因为这个原因,多数的风帆被设计得能耐高温,能为了不同的任务去接近太阳:在近距离内观察太阳的极区,为了观察太阳和邻近区域的环境,可以从一个非刻卜勒圆形轨道平面,接近至只有几个太阳半径的近距离,而在接近太阳的时候风帆会有很高的速度。

太阳帆的局限

如果轨道高度低于800km,太阳帆基本就没有用武之地了,因为此时大气阻力的影响比光压要大许多。只有当轨道高度大于这个限度时,太阳帆才能在光压的推动之下产生一个非常微小的加速度,通过数月的累积达到足够的速度。太阳帆通常要做得很大,而载荷相比之下就非常小了。直到现在,太阳帆的展开依旧是一个不小的难题。
普通人对太阳帆有一个误解,以为它们在光压的推动下只能远离太阳而不能接近。而实际上,透过调整太阳帆的角度(类似帆船中的三角帆),使其加速度方向与在轨运行的速度方向相反,并透过减速降低轨道的能量,降低轨道高度。最终,太阳帆将以螺旋运动的方式接近太阳。

太阳帆的应用

  • 卫星
太阳帆可以悬停在地球的极地上空。配备了太阳帆的航天器也可以定位到离太阳很近的轨道上,并能相对于太阳或地球保持静止。这种形式的卫星被命名为Forward卫星。
  • 轨道修正
目前正在飞往水星旅途中的信使号探测器便利用了其太阳能电池板上所产生的光压来进行轨道修正。通过改变太阳能电池板和太阳之间的相对角度,可以调整辐射压的大小,这比推进器要精确得多。在引力加速机制下,很小的误差也会被放大很多倍,所以,精确的轨道修正可以为以后节省大量的燃料。
日本发射的隼鸟号在回程时则使用太阳能电池板上产生的太阳光压当做姿势稳定控制,用以替代无法使用的X轴和Y轴控制装置,并与离子引擎加以辅助尚能使用的Z轴姿势控制装置。
  • 星际飞行
以太阳帆直接进行星际航行一直是太阳帆研发的最终目的。
目前唯一确认以太阳帆进行星际航行的,只有日本于2010年发射的实证测试宇宙探测器IKAROS。
 
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