雷奕安的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/leiyian 关于未来的长远可持续发展技术方案,能源,量子力学,人工智能,等

博文

星际高速公路之太阳帆 精选

已有 1626 次阅读 2021-4-26 00:53 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

太空开发最困难的是跨出第一步。如果我们能在太空建设完成一定量的基础设施,太空开发就会非常容易。太空基础设施主要包括运输,能源,采矿,工厂。其中运输是重中之重,开始最困难,以后却最容易。上一章我们讲了天机索。但是天机索也有一些问题。我们先讨论天机索的问题,然后介绍各种太阳帆方案。

天机索的问题

天机索需要精确对接,包括时间和空间。由于空间范围巨大,相对运动速度也能达到数公里每秒,所以精确对接有一定的挑战性。

天机索系统需要预先在各种转移轨道布置巨大的转运空间站,耗费大量物资。而且,在天机索建好之前,物资运输的成本非常高。所以天机索系统初始建设成本很高。

天机索的关键设备需要维护。其中绳索本身很长,比较脆弱,应当在每次使用之前检修。对于几十到上百公里长的绳索,检修一次需要较长的时间,

一般情况下,如果不能理想双向转运,天机索空间站每次需要为货物提供的额外能量和动量。这就需要另外耗费能量和工质,对空间站进行能量动量补偿。补偿仍然需要花费较大的成本。虽然能量和物资都可以在太空提供。但至少需要腾出补偿的时间,也需要较大的能源供应。由于天机索经常承受较大的加速度,对机械强度和稳定性的要求高,大面积太阳能板接入有困难,能量来源的问题需要想办法解决。

光帆

也叫做太阳帆(Solar Sail, Light Sail)。阳光照射在物体上,或者被反射,会给物体一个小的推力,叫光压,可以用来推进航天器。

在地球轨道附近,太阳光的强度为每平方米1360瓦,一块垂直于太阳光方向全反射的镜子,受到的光压是9微帕斯卡,也就是每平方米9微牛顿,一平方公里就是9牛顿。

在太空中,可以使用非常轻薄的反光材料,即光帆本身的质量可以很小,比如每平方米几克,那么一平方公里就是几吨。当然也不能太薄,太薄就对光透明了,也容易破裂。

假定1平方公里的太阳帆自重3吨,垂直于太阳光方向,光压是9牛顿,加速度3毫米每秒平方。如果加速一个月,以30天计,速度可以提高0.003*86400*30=7776米/秒。这是一个很大的速度增量。

当然,我们还要考虑支撑结构的重量,和携带货物的重量。如果加在一起是30吨,那么一个月的速度增量是778米每秒。考虑到星际运输的时间一般是几个月到几年,这样的速度增量已经非常可观了。我们也可以使用更大的光帆,从而大大节省星际运输的时间,或者运输更重的货物。

光帆受到的光压,与光帆与太阳距离的平方成反比。离太阳越远,太阳光越弱,光压越小,驱动也越小。但是一般加速的时间也越长,所以光帆仍然大有用武之地。

光帆提供的驱动只能远离太阳方向,看起来似乎只能用来探索地球以外的行星,比如火星,木星,土星等。但是,航天器往靠近太阳的方向运动,都需要减速才能被内行星俘获,太阳帆也能提供减速所需要的推力。也就是说,太阳帆既能帮助航天器远离太阳,也能帮助接近太阳。

这样的话,我们只需要把货物发射到太空中,货物在太阳系里的运输就不需要花费额外的能量了。我们可以建设基于太阳帆的免费行星际运输系统。古代人类航海的时候,主要利用风帆的动力长途远航。进入太空时代,我们又要用不同的帆,帮助我们驶向远方。

一种太阳帆概念图(Wiki)

光帆和货物被加速,行进到外气态行星附近的时候,还可以利用外气态行星附近的稀薄大气或等离子体减速,从而被外行星俘获,然后在行星附近盘旋,掉头,收拢光帆,等待返向运输任务。

光帆的问题有,面积巨大,很难维持刚性,也很脆弱。如果利用旋转张开,收拢会有一定困难。而机械机构会比较重,绳索难以控制。这些问题都可以解决,无非是多花费一些材料,减小一些载重。

电帆

英文名Electric sail、Electric solar wind sail,简称E-Sail。

太阳一直都在向外抛射高速粒子流,也就是太阳风。太阳风的速度从几百公里每秒到上千公里每秒不等。当然,我们也可以利用太阳风帮助航天器在行星之间运输。利用太阳风的帆叫电帆。因为它必须充电,才能跟太阳风里的高速离子发生相互作用,产生动量交换,从太阳风中获取动量,即推力。

在地球轨道附近,太阳风的推力强度,也就是太阳风压,只有光压的1‰左右。但是电帆并不需要做成帆的样子,占据全部的面积,而只需要很多根导电的细丝。细丝可以很长,从几十公里到上百公里。细丝充电以后可以影响几十米范围内的太阳风。充电的办法是,在导线的任何位置,一般是帆的中心,向太空深处发射电子束,剩下的导体部分自然带正电,电势增高。电帆需要电子加速器。

电帆概念图(Wiki)

细丝对太阳风的影响能力取决于太阳风的粒子密度,细丝所充电压,以及电子加速器的电流强度。究竟能接受到多少太阳风的动量,取决于实验结果,计算并不可靠。但是我们可以做一个简单估计。太阳风等离子体的德拜长度在10米量级,考虑到持续的电流可以造成细丝附近正电荷富集,我们假定细丝能够影响50米范围的太阳风,左右就是100米。10公里长的细丝,影响范围是1平方公里。要达到1平方公里太阳光帆的驱动能力,需要1000平方公里,也就是500根20公里长的细丝。500根细丝是无法控制的,一般应该几十根,也就是不到1牛顿的推力。

与光帆相比,电帆更容易部署,重量也更轻,但是需要能源,究竟能得到多大的推力还不清楚。

电帆与光帆相比,还有一点不同。光压平方反比于到太阳的距离,非常稳定,但是太阳风很不稳定,而且无法预测,因此无法精确计算航天器的运行轨迹。这会是一个比较大的问题,因为太空飞行对轨迹的计划必须非常精确。

电帆随距离太阳的的增大,效率并不会平方反比降低。因为太阳风并不是按距离和面积扩散的,而且等离子密度下降了,德拜长度会增加,也就是影响的范围会增加,从而部分弥补密度降低带来的驱动效率下降。

高压电帆

我们曾经提出一种高压电帆方案,结构紧凑,不需要很大的尺寸,但是需要较高的电压和较大流强的电子加速器。工作原理是,太阳风的密度很低,一旦把较强电流的电子发射出去,航天器周围会积累较多正电荷,从而形成一个较大范围的正电区,破坏电中性,对太阳风中离子的影响范围超过德拜半径的限制。我们的计算表明,最终在航天器周围会得到一个接近库伦势,而不是德拜势的电势分布,从而大大扩展对周围等离子体的影响范围。为了降低电压需求,也就是发射出去电子的能量,我们可以尽量增大导体部分的半径。具体做法跟电帆差不多,放出很少几根不长的导电细丝,比如1公里左右。这是因为库伦势距离电荷中心距离越大,电势越低。或者说,同样多的电荷,导体的半径越大,导体边缘,也就是导体全部的电势越底,发射电子需要的能量就越低。

由于并不是中性等离子问题,计算很复杂,既有长程相互作用,又有网格划分范围变化太大等问题,不容易计算出推力大小。但是仍然可以做出估算。因为太阳风粒子密度低,容易产生较大范围的宏观带电区,几十千瓦的输入能量能够影响上百公里以内的太阳风,也就是数万平方公里面积,从而产生几十牛顿的推力。高压电帆的尺度只有公里量级,不需要脆弱、难以操作的材料。

高压电帆效率高于电帆,容易控制,驱动力可调,只要位于等离子流中,有能源驱动电子加速器,就可以充分利用周围等离子体的动量。

高压电帆比电帆消耗更多的能量。如果能量来源有保证,可以得到很大的推力。高压电帆同样可以用来加速或者减速,取决于当时环境中等离子体的动量是否有利。既可以利用太阳风加速,也可以利用环境等离子体减速。特别的是,到木星附近的运输,如果快速运输,需要在木星附近制动。木星有强大的磁场,俘获了很多带电粒子,密度较高,相对木星动量为零,可以被高压电帆用来制动。

以下内容不全,不知道为什么,改了几次都没有。全部内容可见:

《大航天》连写版

光电综合帆

太阳帆除了直接反射阳光,得到光压反推,还可以聚焦光能,在焦点处发电为电帆提供能源(即使光被太阳能板吸收了,也可以得到一半光压推力)。由于光帆面积很大,比如从1平方公里到

http://wap.sciencenet.cn/blog-268546-1283758.html

上一篇:大学如何高效学习
下一篇:天路多艰

5 黄永义 刘德力 王安良 鲍海飞 段煦

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (3 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-7-28 09:35

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部