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靠太陽光驅(qū)動，中國光帆已處于先進(jìn)水平，新航海時代中國不再錯過

艾?？破站?/a> >《待分類》

2022.07.09 福建

關(guān)注

在蒸汽時代以前，人類利用地球上無處不在的風(fēng)，御風(fēng)而行，控制風(fēng)帆的角度，就能讓風(fēng)帆帶著帆船在大海上航行，靠帆船征服海洋。

在地球之外，雖然沒有風(fēng)，但還有另一種無處不在的東西——太陽光。當(dāng)光照射在物體表面，會對物體施加一個極小的壓力。太空中幾乎零阻力，這意味著在太空中我們可以御光而行。

光能對物體施加壓力

光具有波粒二象性，光子雖然沒有靜止質(zhì)量，但卻以極快的速度運(yùn)動，有能量，光壓就是光子撞上物體時，光子的部分能量以動量的形式傳遞給物體，后的結(jié)果。光壓的大小與光的入射角、動量密度，以及被照射物體表面的反射系數(shù)有關(guān)。在光強(qiáng)一定的情況下，當(dāng)光垂直入射輻射并被物體完全反射時，物體表面所承受的光壓最大。

其實(shí)，早在經(jīng)典物理時代，著名數(shù)學(xué)家歐拉就已指出光壓的存在，開普勒還曾用光壓解釋“彗星的尾巴為什么總是背對著太陽”，而開普勒的這一推論后來被證明是正確的。

19世紀(jì)，麥克斯韋指出光就是電磁波，并推導(dǎo)出了光速的大小，還根據(jù)電磁理論推導(dǎo)出了光壓的理論數(shù)值大小。由于光就是電磁波，因此光壓又叫作輻射壓。

1901年，俄國物理學(xué)家列別捷夫首次通過實(shí)驗(yàn)測量出了光壓的大小，數(shù)值與麥克斯韋的理論推導(dǎo)相符。測量結(jié)果顯示，太陽光正入射到地面黑體上的光壓約為5×10∧-6牛每平方米。整個地球表面受到的來自太陽光的平均壓力，比這一數(shù)值略小一點(diǎn)，為4.5×10∧-6牛每平方米。

這壓力極小，人體根本感受不到。為了利用光壓，科學(xué)家們發(fā)明了比蟬翼還輕薄的光帆。當(dāng)太陽光持續(xù)不斷地照射到光帆上時，就會對其產(chǎn)生一個微小的加速度。

可不要小瞧光壓，不僅彗尾的形成與它有關(guān)，就連太空中的人造地球衛(wèi)星，在設(shè)計(jì)時也要考慮到太陽光對其產(chǎn)生的光壓影響，因?yàn)檫@點(diǎn)微小的影響會使人造衛(wèi)星漸漸偏離軌道。在太陽內(nèi)部，當(dāng)光壓與引力保持平衡，太陽的結(jié)構(gòu)才能維持穩(wěn)定。

中國光帆技術(shù)在國際上已處于先進(jìn)水平

400多年前，天文學(xué)家開普勒就曾設(shè)想依靠太陽光的能量驅(qū)動光帆馳騁宇宙，現(xiàn)在這一設(shè)想已經(jīng)被科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了。

太陽光的壓力極小，所產(chǎn)生的推力也極小，因此太陽帆必須做得極大，極為輕薄，擁有極佳的反光性。為了方便發(fā)射，太陽帆還需要具備折疊功能。正是這些因素導(dǎo)致太陽帆的研制進(jìn)展十分緩慢。

太陽帆的研制，中美俄日等國都有參與。其中日本早已在這方面取得了重大突破，其于2010年5月成功發(fā)射了世界第一個以太陽帆為動力的探測器“伊卡洛斯”號，該探測器重約310公斤，太陽帆展開面積接近40平方米，厚約7.5微米，僅相當(dāng)于人類頭發(fā)絲直徑的十分之一左右。

（伊卡洛斯號模型）

此外，行星協(xié)會于2019年發(fā)射的光帆二號，也是這方面的佼佼者，其太陽帆的展開面積達(dá)到了32平方米。

（已展開的光帆二號）

2019年8月，我國利用快舟一號運(yùn)載火箭發(fā)射了用于驗(yàn)證太陽帆技術(shù)的天帆一號飛行器。2022年6月，我國再一次進(jìn)行了太陽帆的在軌展開實(shí)驗(yàn)，展開面積已達(dá)25平方米。綜合而言，現(xiàn)在我國的光帆技術(shù)在國際上已處于先進(jìn)水平。

（天帆一號展開過程）

在大航海時代，探險家們利用風(fēng)帆征服了地球，在征服星辰大海的這個新航海時代，我國并未缺席，無論是光帆技術(shù)，還是其它航天技術(shù)都在穩(wěn)健快速地發(fā)展。

未來人類或許能夠利用光帆征服太陽系。光帆推力小，加速非常緩慢，但太陽光源源不斷，只要有陽光的地方就可以持續(xù)不斷地對航天器施加推力，日積月累將航天器加速到極高的速度。在這一點(diǎn)上，太陽帆與霍爾推進(jìn)器很像。

如果將太陽光換成人造激光，推動光帆前進(jìn)，這種光帆被稱之為激光帆。但由于人造激光本身就十分耗費(fèi)能源，這種光帆現(xiàn)階段并不實(shí)用，所以一直未得到發(fā)展。

關(guān)注我，咱們下次見。

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