美國宇航局將向深空發(fā)射下一代太陽帆

每個(gè)人都知道太陽能在地球上是免費(fèi)的，幾乎是無限的。在內(nèi)太陽系運(yùn)行的航天器也是如此。但在太空中，太陽能做的不僅僅是提供電能;它還發(fā)出源源不斷的太陽風(fēng)。

太陽帆可以利用這種風(fēng)并為航天器提供推進(jìn)力。美國宇航局即將測試一種新的太陽帆設(shè)計(jì)，可以使太陽帆更加有效。

太陽壓力彌漫在整個(gè)太陽系。它隨著距離的延長而減弱，但它是存在的。它影響所有航天器，包括衛(wèi)星。它極大地影響了持續(xù)時(shí)間較長的太空飛行。

一艘執(zhí)行任務(wù)的航天器火星在航行過程中，由于太陽壓力，它可能被迫偏離航線數(shù)千公里。壓力也會(huì)影響航天器的方向，它們旨在應(yīng)對(duì)它。

雖然這是一個(gè)障礙，但太陽壓力可以為我們帶來優(yōu)勢。

一些太陽帆航天器已經(jīng)發(fā)射和測試，首先是日本的伊卡洛斯2010年的航天器。伊卡洛斯證明，來自太陽的光子形式的輻射壓力可用于控制航天器。

最新的太陽帆航天器是行星學(xué)會(huì)的光帆 2，于 2019 年推出。LightSail 2 是一項(xiàng)成功的任務(wù)，歷時(shí)三年多。

與其他航天器相比，太陽帆航天器具有一些優(yōu)勢。他們的推進(jìn)系統(tǒng)非常輕巧，永遠(yuǎn)不會(huì)耗盡燃料。太陽帆航天器可以比其他航天器更便宜地執(zhí)行任務(wù)，并且可以持續(xù)更長時(shí)間，盡管它們有局限性。

太陽帆的概念現(xiàn)在被證明是可行的，但技術(shù)需要進(jìn)步才能真正有效。太陽帆航天器的一個(gè)關(guān)鍵部分是它的吊桿。吊桿支撐帆材料;它們越輕越強(qiáng)，航天器的效率就越高。

雖然太陽帆比其他航天器輕得多，但吊桿的重量仍然是一個(gè)障礙。

美國宇航局即將推出一種新的太陽帆設(shè)計(jì)，具有更好的支撐結(jié)構(gòu)。稱為先進(jìn)的復(fù)合材料太陽能帆系統(tǒng)（ACS3），它比以前的動(dòng)臂設(shè)計(jì)更硬、更輕。它由碳纖維和柔性聚合物制成。

雖然太陽帆有很多優(yōu)點(diǎn)，但它們也有一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)。它們以小包的形式推出，在開始工作之前必須展開。這項(xiàng)行動(dòng)可能充滿困難，并給可憐的地勤人員帶來壓力，他們不得不等待和觀察是否成功。

ACS3 將與 NanoAvionics 建造的 12 單元 （12U） CubeSat 一起發(fā)射。主要目標(biāo)是展示吊桿部署，但ACS3團(tuán)隊(duì)也希望該任務(wù)能夠證明他們的太陽帆航天器有效。

為了改變方向，航天器調(diào)整帆的角度。如果吊桿部署成功，ACS3團(tuán)隊(duì)希望與航天器進(jìn)行一些機(jī)動(dòng)，調(diào)整帆的角度并改變航天器的軌道。目標(biāo)是建造更大的帆，可以產(chǎn)生更大的推力。

ACS3 動(dòng)臂設(shè)計(jì)旨在克服動(dòng)臂的問題：它們要么又重又薄，要么又輕又笨重。

美國宇航局的濟(jì)慈·威爾基（Keats Wilkie）說：“吊桿往往是沉重的金屬材料，或者由輕質(zhì)復(fù)合材料制成，設(shè)計(jì)笨重 - 這兩種方法都不適合今天的小型航天器。Wilke是蘭利研究中心的ACS3首席研究員。

“太陽帆需要非常大、穩(wěn)定、輕便的吊桿，可以緊湊地折疊起來。這種帆的吊桿是管狀的，可以壓扁并像卷尺一樣卷成一個(gè)小包裝，同時(shí)提供復(fù)合材料的所有優(yōu)點(diǎn)，例如在溫度變化期間減少彎曲和彎曲。

ACS3 將在電子來自新西蘭火箭實(shí)驗(yàn)室發(fā)射場的火箭。它將前往地球上空1000公里（600英里）的太陽同步軌道。

一旦它到達(dá)，航天器將展開它的吊桿并展開它的帆。展開帆大約需要 25 分鐘，光子收集面積為 80 平方米，約合 860 平方英尺。這比 LightSail 2 大得多，后者的帆面積為 32 平方米或約 340 平方英尺。

當(dāng)它展開時(shí)，航天器上的攝像頭將觀察和監(jiān)控形狀和對(duì)稱性。演習(xí)數(shù)據(jù)將用于未來的帆設(shè)計(jì)。

“七米長的可展開吊桿可以卷成適合你手的形狀，”美國宇航局艾姆斯研究中心的首席系統(tǒng)工程師艾倫·羅德斯說?！跋Ｍ@艘航天器上驗(yàn)證的新技術(shù)將激勵(lì)其他人以我們甚至沒有考慮過的方式使用它們。

ACS3是美國宇航局小型航天器技術(shù)計(jì)劃的一部分。該計(jì)劃旨在部署快速展示獨(dú)特能力的小型任務(wù)。

ACS3 系統(tǒng)采用獨(dú)特的復(fù)合材料和碳纖維吊桿，可支撐 2,000 平方米（約 21,500 平方英尺）的風(fēng)帆。這大約是足球場面積的一半。（或者，正如我們的英國朋友錯(cuò)誤地稱呼它的那樣，是一個(gè)足球場。

有了大帆，它們可以推動(dòng)的任務(wù)類型就會(huì)發(fā)生變化。雖然到目前為止，太陽帆一直是小型示范模型，但該系統(tǒng)有可能為一些嚴(yán)肅的科學(xué)任務(wù)提供動(dòng)力。

“太陽將繼續(xù)燃燒數(shù)十億年，因此我們有無限的推進(jìn)力來源。與其為未來的任務(wù)發(fā)射巨大的油箱，不如使用現(xiàn)有的“燃料”發(fā)射更大的帆，“羅茲說。

“我們將展示一個(gè)系統(tǒng)，利用這種豐富的資源在探索和科學(xué)方面邁出下一步。

太陽帆航天器沒有化學(xué)或電力推進(jìn)系統(tǒng)所具有的瞬時(shí)推力。但推力是恒定的，從未真正動(dòng)搖過。

他們可以做其他航天器難以做的事情，例如占據(jù)獨(dú)特的位置，使他們能夠研究太陽。它們可以作為日冕物質(zhì)拋射的早期預(yù)警系統(tǒng)，以及太陽風(fēng)暴，這會(huì)造成危險(xiǎn)。

新型復(fù)合材料吊臂還有其他應(yīng)用。由于它們非常輕巧、堅(jiān)固和緊湊，它們可以作為月球和火星棲息地的結(jié)構(gòu)框架。

它們還可用于支持其他結(jié)構(gòu)，如通信系統(tǒng)。如果系統(tǒng)正常工作，誰知道它還能提供哪些其他應(yīng)用程序？

“這項(xiàng)技術(shù)激發(fā)了想象力，重新構(gòu)想了航行的整個(gè)想法并將其應(yīng)用于太空旅行，”美國宇航局艾姆斯太陽帆任務(wù)項(xiàng)目經(jīng)理Rudy Aquilina說。

“展示太陽帆和輕質(zhì)復(fù)合材料吊桿的能力是利用這項(xiàng)技術(shù)激發(fā)未來任務(wù)的下一步。

本文最初發(fā)表于今天的宇宙.閱讀原文.

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