美国宇航局将向深空发射下一代太阳帆

每个人都知道太阳能在地球上是免费的,几乎是无限的。在内太阳系运行的航天器也是如此。但在太空中,太阳能做的不仅仅是提供电能;它还发出源源不断的太阳风。

太阳帆可以利用这种风并为航天器提供推进力。美国宇航局即将测试一种新的太阳帆设计,可以使太阳帆更加有效。

太阳压力弥漫在整个太阳系。它随着距离的延长而减弱,但它是存在的。它影响所有航天器,包括卫星。它极大地影响了持续时间较长的太空飞行。

一艘执行任务的航天器火星在航行过程中,由于太阳压力,它可能被迫偏离航线数千公里。压力也会影响航天器的方向,它们旨在应对它。

虽然这是一个障碍,但太阳压力可以为我们带来优势。

一些太阳帆航天器已经发射和测试,首先是日本的伊卡洛斯2010年的航天器。伊卡洛斯证明,来自太阳的光子形式的辐射压力可用于控制航天器。

最新的太阳帆航天器是行星学会的光帆 2,于 2019 年推出。LightSail 2 是一项成功的任务,历时三年多。

红海和尼罗河,来自LightSail 2宇宙飞船。LightSail 2 是一次成功的演示任务,历时两年多。(行星学会)

与其他航天器相比,太阳帆航天器具有一些优势。他们的推进系统非常轻巧,永远不会耗尽燃料。太阳帆航天器可以比其他航天器更便宜地执行任务,并且可以持续更长时间,尽管它们有局限性。

太阳帆的概念现在被证明是可行的,但技术需要进步才能真正有效。太阳帆航天器的一个关键部分是它的吊杆。吊杆支撑帆材料;它们越轻越强,航天器的效率就越高。

虽然太阳帆比其他航天器轻得多,但吊杆的重量仍然是一个障碍。

“吊杆往往是沉重的金属材料,或者由轻质复合材料制成,设计笨重——这两种方法都不适合今天的小型航天器。

济慈·威尔基(Keats Wilkie),美国宇航局ACS3首席研究员

美国宇航局即将推出一种新的太阳帆设计,具有更好的支撑结构。称为先进的复合材料太阳能帆系统(ACS3),它比以前的动臂设计更硬、更轻。它由碳纤维和柔性聚合物制成。

虽然太阳帆有很多优点,但它们也有一个关键的缺点。它们以小包的形式推出,在开始工作之前必须展开。这项行动可能充满困难,并给可怜的地勤人员带来压力,他们不得不等待和观察是否成功。

这张图片显示了ACS3在美国宇航局兰利研究中心展开。太阳风是可靠的,但不是很强大。它需要很大的帆面积来有效地为航天器提供动力。ACS2 每边约 9 米(30 英尺),需要坚固、轻便的动臂系统。(美国宇航局)

ACS3 将与 NanoAvionics 建造的 12 单元 (12U) CubeSat 一起发射。主要目标是展示吊杆部署,但ACS3团队也希望该任务能够证明他们的太阳帆航天器有效。

为了改变方向,航天器调整帆的角度。如果吊杆部署成功,ACS3团队希望与航天器进行一些机动,调整帆的角度并改变航天器的轨道。目标是建造更大的帆,可以产生更大的推力。

“希望这艘航天器上验证的新技术将激励其他人以我们甚至没有考虑过的方式使用它们。

Alan Rhodes,美国宇航局艾姆斯研究中心ACS3首席系统工程师

ACS3 动臂设计旨在克服动臂的问题:它们要么又重又薄,要么又轻又笨重。

美国宇航局的济慈·威尔基(Keats Wilkie)说:“吊杆往往是沉重的金属材料,或者由轻质复合材料制成,设计笨重 - 这两种方法都不适合今天的小型航天器。Wilke是兰利研究中心的ACS3首席研究员。

“太阳帆需要非常大、稳定、轻便的吊杆,可以紧凑地折叠起来。这种帆的吊杆是管状的,可以压扁并像卷尺一样卷成一个小包装,同时提供复合材料的所有优点,例如在温度变化期间减少弯曲和弯曲。

ACS3将从新西兰北岛的火箭实验室1号发射场发射升空。(火箭实验室)

ACS3 将在电子来自新西兰火箭实验室发射场的火箭。它将前往地球上空1000公里(600英里)的太阳同步轨道。

一旦它到达,航天器将展开它的吊杆并展开它的帆。展开帆大约需要 25 分钟,光子收集面积为 80 平方米,约合 860 平方英尺。这比 LightSail 2 大得多,后者的帆面积为 32 平方米或约 340 平方英尺。

当它展开时,航天器上的摄像头将观察和监控形状和对称性。演习数据将用于未来的帆设计。

“七米长的可展开吊杆可以卷成适合你手的形状,”美国宇航局艾姆斯研究中心的首席系统工程师艾伦·罗德斯说。“希望这艘航天器上验证的新技术将激励其他人以我们甚至没有考虑过的方式使用它们。

ACS3是美国宇航局小型航天器技术计划的一部分。该计划旨在部署快速展示独特能力的小型任务。

ACS3 系统采用独特的复合材料和碳纤维吊杆,可支撑 2,000 平方米(约 21,500 平方英尺)的风帆。这大约是足球场面积的一半。(或者,正如我们的英国朋友错误地称呼它的那样,是一个足球场。

有了大帆,它们可以推动的任务类型就会发生变化。虽然到目前为止,太阳帆一直是小型示范模型,但该系统有可能为一些严肃的科学任务提供动力。

“太阳将继续燃烧数十亿年,因此我们有无限的推进力来源。与其为未来的任务发射巨大的油箱,不如使用现有的“燃料”发射更大的帆,“罗兹说。

“我们将展示一个系统,利用这种丰富的资源在探索和科学方面迈出下一步。

在极端紫外线下出现的太阳耀斑。太阳是一种免费的能量来源,不会很快消失,但它也是危险的。(美国宇航局/证监会/SDO)

太阳帆航天器没有化学或电力推进系统所具有的瞬时推力。但推力是恒定的,从未真正动摇过。

他们可以做其他航天器难以做的事情,例如占据独特的位置,使他们能够研究太阳。它们可以作为日冕物质抛射的早期预警系统,以及太阳风暴,这会造成危险。

新型复合材料吊臂还有其他应用。由于它们非常轻巧、坚固和紧凑,它们可以作为月球和火星栖息地的结构框架。

它们还可用于支持其他结构,如通信系统。如果系统正常工作,谁知道它还能提供哪些其他应用程序?

“这项技术激发了想象力,重新构想了航行的整个想法并将其应用于太空旅行,”美国宇航局艾姆斯太阳帆任务项目经理Rudy Aquilina说。

“展示太阳帆和轻质复合材料吊杆的能力是利用这项技术激发未来任务的下一步。

本文最初发表于今天的宇宙.阅读原文.

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