太阳风电力帆推进可能会彻底改变太空旅行

在合理的时间内将探测器发送到太阳系任何地方的目标仍然难以实现。芬兰科学家发明了一种新的推进方法,利用太阳风,保证小型有效载荷的高速运行,并可能在不久的将来在技术上建成。

太阳风是一种非常微弱但高速(300-800公里/秒)的等离子体流,从太阳径向向外吹。太阳风为极光提供动力,并控制着空间天气。太阳风的平均动压力(单位面积的力)是2纳米尺度,相当于每平方公里0.2克的重量。

使用如此微弱的动力压力来推动航天器需要一个非常大的面积帆,比固体表面所能提供的要大得多。在电动帆中,帆是由围绕着一根薄薄的带电缆绳的电场形成的,缆绳的电压由机载太阳能电子枪维持。一根20公里长的电线,比人的头发还细,可以装在一个小卷轴里,但当它在太空中伸展并充电时,可以提供一平方公里的有效面积。在今天出版的报纸上编年史Geophysicae利用二维第一性原理等离子体模拟在超级计算机上运行,计算了不同太阳风条件下缆绳的单位长度推力和缆绳电压,验证了方法的可行性。理论分析和一维仿真验证了结果。

结果表明,在平均太阳风条件下,每单位长度的系绳可获得约50 nN/m的力,从而使轻型航天器的最终速度在50-100 km/s(10-20 AU/年)范围内。以如此高的速度,一个人可以在不到四年的时间内到达冥王星,并在不到15年的时间内飞出日光层进入星际空间。由于电帆不需要推进剂或其他消耗品,它还可以提供廉价的原材料运输,例如从小行星开采的水,用于在高地球轨道上原位制造燃料。欧洲杯足球竞彩

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