太阳帆可以在26天内到达火星

艺术家对即将于2025年2月发射的美国宇航局太阳巡洋舰任务的再现，这是为这项最新研究开发的太阳帆类型的一个例子。鸣谢:uux.cn/美国宇航局

（神秘的地球uux.cn）据《今日宇宙》（劳伦斯·托格内蒂）：最近提交给《宇航学报》的一项研究探索了使用航空石墨太阳帆前往火星和星际空间的可能性，这将大大减少此类任务所需的时间和燃料。

这项研究是在许多组织正在对太阳帆的使用进行研究的同时进行的，同时行星协会成功完成了LightSail2任务，并有可能为长期太空任务开发更快、更有效的推进系统。

“太阳帆推进具有在整个太阳系快速运送小有效载荷(亚千克)的潜力，”马克斯·普朗克太阳系研究所的天体物理学家、该研究的合著者René Heller博士告诉《今日宇宙》。“与传统的化学推进相比，这听起来小得可笑，传统的化学推进可以将数百吨的有效载荷带到近地轨道，并将其中的大部分送到月球、火星和更远的地方。但太阳帆技术的关键价值在于速度。”

传统火箭依靠燃烧化学物质形式的燃料在飞船后部施加外力，与此不同，太阳帆不需要燃料。相反，它们使用阳光作为推进机制，因为巨大的船帆捕捉太阳光子，就像风帆在水上行驶时捕捉风一样。太阳帆展开的时间越长，捕获的太阳光子就越多，从而逐渐提高航天器的速度。

为了进行这项研究，研究人员对质量高达1公斤(2.2磅)的航空石墨制成的太阳帆进行了模拟，其中包括720克横截面积为104平方米的航空石墨，可以以多快的速度到达火星和星际介质，也称为日光层，使用从地球出发的两种轨道，分别称为直接向外转移和向内转移方法。

前往火星和日顶的直接向外转移方法包括太阳帆展开和直接离开地球周围的极地轨道。研究人员确定，在太阳帆展开和离开地球时，火星处于相对位置(地球与太阳正对)，将产生速度和旅行时间的最佳结果。

同样的极地轨道部署和离开也用于日顶轨道。对于向内转移方法，太阳帆将通过传统的化学火箭被运送到距离太阳大约0.6个天文单位(AU)的地方，太阳帆将在那里展开并开始其前往火星或日顶的旅程。但是，航空石墨太阳帆如何使这一旅程更加可行呢？

行星协会的光帆2号在2019年11月25日绕地球飞行期间拍摄的图像。船帆的弯曲外观来自飞船的185度鱼眼镜头，图像经过了色彩校正和去除部分失真的处理。信用:uux.cn/行星协会

“由于其每立方米0.18公斤的低密度，航空石墨削弱了所有传统的太阳帆材料，”德累斯顿理工大学的研究助理兼该研究的主要作者Julius Karlapp告诉《今日宇宙》。例如，与聚酯薄膜(一种金属化聚酯薄膜)相比，密度要小四个数量级。假设太阳帆产生的推力直接取决于太阳帆的质量，那么产生的推力要高得多。除了加速优势，aerographite的机械性能也很惊人。”

通过这些模拟，研究人员发现直接向外转移方法和向内转移方法分别导致太阳帆在26天和126天内到达火星，前103天是从地球到0.6 AU部署点的旅行时间。

对于前往日顶的旅程，这两种方法分别需要5.3年和4.2年，向内转移方法的头103天也用于从地球到0.6天文单位部署点的旅行时间。向内转移方法更快到达日顶的原因是太阳帆在300天达到最大速度，而向外转移方法大约需要两年才能达到最大速度。

目前前往火星的旅行时间在7至9个月之间，这仅在每两年一次的特定发射窗口期间发生，同时依赖于任何前往或来自火星的航天器在发射和到达时两个行星的位置对准。使用美国宇航局的旅行者1号和旅行者2号探测器可以估计目前到达日顶的旅行时间，这两个探测器分别在大约35年和41年到达日顶。

研究人员指出，使用太阳帆的一个主要问题是在到达目的地，特别是火星时减速，尽管他们提到aerocapture是一种解决方案，但他们承认这仍需要进一步研究。

“双曲线轨道(如从地球飞往火星)的气动捕获机动利用大气层来逐渐降低阻力造成的速度，”物理学家、德累斯顿理工大学空间系统教授、该研究的合著者马丁·塔伊马尔博士告诉《今日宇宙》。

“因此，进入火星轨道需要更少的燃料。我们使用这种制动策略来消除对额外制动推进器的需要，从而减少航天器的质量。我们目前正在研究哪些替代策略可能对我们有用。然而，制动方法只是我们目前面临的众多不同挑战之一。”

虽然太阳帆技术早在20世纪70年代就由美国宇航局提出，但太阳帆技术的最近一个例子是美国宇航局的太阳巡洋舰，目前计划于2025年2月发射。