[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，尋找一種可靠高速可持續(xù)的推進系統(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對外公布了一個非常前衛(wèi)、非常具有科技感的未來航天飛行器推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)由NASA的子機構(gòu)——馬歇爾航天中心主導(dǎo)研發(fā)，全稱是太陽風(fēng)頂層靜電快速運輸系統(tǒng)（Heliopause Electrostatic Rapid Transit System），簡稱太陽能電子帆推進系統(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，作為推進系統(tǒng)的主體部分是一些特別細長的鋁線。對，你沒看錯，那些細長的線就是鋁線。當(dāng)然這不是我們生活中常見的鋁線。這些鋁線極細極長，直徑為1毫米，粗細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。這個長度是什么概念呢？幾乎是219個足球場排在一起的長度。一個電子帆一般會有10-20根鋁線組成，成輻射狀由中心向四周發(fā)散?；鸺诌_指定位置后，由中心向兩端伸長鋁線，由兩個小火箭來推進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系統(tǒng)就能在太空中揚帆起航了。星際航行中最重要的就是推進動力。傳統(tǒng)的航天發(fā)動機都是需要自帶推進劑，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。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，每立方厘米有幾個到幾十個粒子，而地球上風(fēng)的密度則為每立方厘米有2687億億個分子。然而太陽風(fēng)刮起來的猛烈勁，卻遠遠勝過地球上的風(fēng)。太陽風(fēng)在地球附近的速度一般是每秒350～450千米，最強時能達到800千米/秒?？赡軉慰磾?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黑科技的關(guān)鍵。實際上，之前就有一些科學(xué)家試圖通過太陽風(fēng)來進行星際飛行。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不同，這個電子帆項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，它不需要任何推進劑，只要有太陽光，它就能飛行，而且飛行速度遠超現(xiàn)有的飛行器，預(yù)計最高速度可達到每秒400-750公里。
電子帆的高速運動
為了更好的了解電子帆，需要引入一個新的單位。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，有效面積為601平方千米，僅僅比芝加哥市區(qū)小一點；而到5AU時有效面積可達1200平方千米，與洛杉磯大小接近。
電子帆的另一個優(yōu)勢就是，其加速距離遠超太陽帆。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。作為第一個到達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年甚至更短的時間完成這項任務(wù)。所以，這項黑科技有可能會顛覆現(xiàn)有的推進技術(shù)。

當(dāng)然，這項技術(shù)并沒有進入到發(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行當(dāng)中，用來修正模型。預(yù)計10年內(nèi)，電子帆就能正式登上航天舞臺。其實，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。只有突破性的想法，才會帶來突破性的技術(shù)。