[科普中國]-電子帆:鋁線中的航天黑科技

《三體》是我國科幻文學(xué)的代表作之一，其中描述的星際航行一直是人類的夢想。然而《三體》里的曲率驅(qū)動飛船離我們還太遠(yuǎn)，尋找一種可靠高速可持續(xù)的推進(jìn)系統(tǒng)才是王道，由此也催生了一種超酷的黑科技——電子帆。

不久之前，美國國家航空航天局NASA對外公布了一個(gè)非常前衛(wèi)、非常具有科技感的未來航天飛行器推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由NASA的子機(jī)構(gòu)——馬歇爾航天中心主導(dǎo)研發(fā)，全稱是太陽風(fēng)頂層靜電快速運(yùn)輸系統(tǒng)（Heliopause Electrostatic Rapid Transit System），簡稱太陽能電子帆推進(jìn)系統(tǒng)HERTS。單看外形是不是特別有未來科技的感覺？是不是顛覆了你對飛行器的認(rèn)識？
電子帆的結(jié)構(gòu)組成
電子帆并不像傳統(tǒng)意義上的帆面那樣完整，作為推進(jìn)系統(tǒng)的主體部分是一些特別細(xì)長的鋁線。對，你沒看錯(cuò)，那些細(xì)長的線就是鋁線。當(dāng)然這不是我們生活中常見的鋁線。這些鋁線極細(xì)極長，直徑為1毫米，粗細(xì)大概跟一根曲別針差不多，而它又超級長，足足有12.5英里，也就是20千米左右。這個(gè)長度是什么概念呢？幾乎是219個(gè)足球場排在一起的長度。一個(gè)電子帆一般會有10-20根鋁線組成，成輻射狀由中心向四周發(fā)散?；鸺诌_(dá)指定位置后，由中心向兩端伸長鋁線，由兩個(gè)小火箭來推進(jìn)完成鋁線群的扇形展開任務(wù)。最后使電子帆完成最終的展開形態(tài)。

電子帆的動力來源
當(dāng)然并不是擁有這樣電子帆推進(jìn)系統(tǒng)就能在太空中揚(yáng)帆起航了。星際航行中最重要的就是推進(jìn)動力。傳統(tǒng)的航天發(fā)動機(jī)都是需要自帶推進(jìn)劑，這會在火箭總質(zhì)量中占據(jù)很大比例，嚴(yán)重制約著航天器的有效載荷和飛行距離。因而尋求更有效的推進(jìn)方式一直是科學(xué)研究的方向。
科學(xué)家們把目光投向了太陽，這個(gè)太陽系里的終極能量boss。電子帆就是利用太陽產(chǎn)生的太陽風(fēng)來推進(jìn)。與地球上由分子構(gòu)成的風(fēng)不同，太陽風(fēng)是太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流，由質(zhì)子和電子等粒子構(gòu)成，而它們流動時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)與空氣流動十分相似。太陽風(fēng)的密度是非常稀薄而微不足道的，一般情況下，在地球附近的行星際空間中，每立方厘米有幾個(gè)到幾十個(gè)粒子，而地球上風(fēng)的密度則為每立方厘米有2687億億個(gè)分子。然而太陽風(fēng)刮起來的猛烈勁，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過地球上的風(fēng)。太陽風(fēng)在地球附近的速度一般是每秒350～450千米，最強(qiáng)時(shí)能達(dá)到800千米/秒。可能單看數(shù)字沒什么感覺，要知道地球上最猛烈的風(fēng)就是臺風(fēng)了，12級臺風(fēng)的風(fēng)速只是每秒32.5米以上，而這樣的風(fēng)速就已經(jīng)是災(zāi)難了。

由于太陽風(fēng)的稀薄，使得我們對于它并沒有什么直觀的感知。但是其超高的速度卻是電子帆這項(xiàng)黑科技的關(guān)鍵。實(shí)際上，之前就有一些科學(xué)家試圖通過太陽風(fēng)來進(jìn)行星際飛行。NASA在2010年成功發(fā)射了一顆小型太陽帆動力衛(wèi)星。同年5月，日本航天局名為IKAROS的太空探測器升空，證明了太陽帆用于星際航行的可能性。而與之前的太陽帆采用船帆效果的極薄金屬板并依靠太陽光壓推進(jìn)不同，這個(gè)電子帆項(xiàng)目采用的是上面講到的一根根鋁線。這些鋁線將會通上正電荷，利用與太陽風(fēng)中粒子相斥的力，達(dá)到為飛船和飛行器提供動力的目的。從理論上說，它不需要任何推進(jìn)劑，只要有太陽光，它就能飛行，而且飛行速度遠(yuǎn)超現(xiàn)有的飛行器，預(yù)計(jì)最高速度可達(dá)到每秒400-750公里。
電子帆的高速運(yùn)動
為了更好的了解電子帆，需要引入一個(gè)新的單位。天文學(xué)中常用天文單位AU，而不是我們常用的長度單位來表示距離。一個(gè)AU指太陽到地球的平均距離，大概在1.496億千米。由于距離太陽越遠(yuǎn)太陽風(fēng)越稀薄，為了保證足夠的推力和加速度，電子帆的有效面積會隨著航程而增大。在1AU時(shí)，有效面積為601平方千米，僅僅比芝加哥市區(qū)小一點(diǎn)；而到5AU時(shí)有效面積可達(dá)1200平方千米，與洛杉磯大小接近。
電子帆的另一個(gè)優(yōu)勢就是，其加速距離遠(yuǎn)超太陽帆。一般太陽帆航程過了5AU，其加速就會因太陽光子能量的消散而停止。而由于持續(xù)的粒子流和增大的有效面積，電子帆的加速不會停止，而是會持續(xù)到16-20AU的距離。作為第一個(gè)到達(dá)太陽系邊緣的人類飛行器，2010年旅行者號在飛行了35年后完成了任務(wù)。而電子帆卻可以用12年甚至更短的時(shí)間完成這項(xiàng)任務(wù)。所以，這項(xiàng)黑科技有可能會顛覆現(xiàn)有的推進(jìn)技術(shù)。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)并沒有進(jìn)入到發(fā)射階段，有關(guān)被電線排斥而偏離的質(zhì)子數(shù)量，以及受電線吸引的電子數(shù)量仍在馬歇爾太空飛行中心測試，等離子體測試也在進(jìn)行當(dāng)中，用來修正模型。預(yù)計(jì)10年內(nèi)，電子帆就能正式登上航天舞臺。其實(shí)，不管電子帆的未來如何，人類未來航天方面必將出現(xiàn)顛覆現(xiàn)有科技的爆炸式技術(shù)突破，我們在太空中的腳步也會越來越遠(yuǎn)。只有突破性的想法，才會帶來突破性的技術(shù)。