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奇妙反射镜30关(奇妙反射镜12关)

时间:2021-06-04 14:59:46来源:https://www.fangfengyichenwang.com.cn

导读 : 没有燃料,没有火箭推力,宇宙飞船像帆船一样在浩瀚的太空——中航行,听起来不可思议,但不是科幻小说。巨大的镜子。什么是太阳帆?简而言之...

没有燃料,没有火箭推力,宇宙飞船像帆船一样在浩瀚的太空——中航行,听起来不可思议,但不是科幻小说。

巨大的镜子。

什么是太阳帆?简而言之,太阳帆是由巨大的薄膜制成的镜子,用于拦截阳光,利用太阳的光压(也称为“辐射压力”)作为推力推动航天器前进。当然,它也可以使用其他光源,如从地面发射的激光,作为推力。在后一种情况下,又称为“光帆”或“光子帆”。

那么,什么是光压呢?如果你向太阳伸出手,

你会有什么感觉?你一定会觉得“热”。其实除了热,还有压力,是轻压,但轻压很小,整个手掌面积只有百万分之一盎司(一盎司等于28.35克),感觉不到。

有人可能会问:光压如何推动飞船前进?这是因为:一是一直有太阳光提供光压,飞船能量时不时增加,涓涓细流最终汇入大海;第二,飞船几乎是在洁净的空气中飞行,那里几乎没有或者根本没有阻力阻止飞船前进。

1867年,法国著名科幻作家儒勒凡尔纳在他的小说《从地球到月球》中提出了一个重要概念:光压具有机械力,可以推进机械。1873年,著名的行星运动定律发现者和德国天文学家开普勒有了发现。

让光压从科学幻想进入科学殿堂。开普勒在观测彗星时,发现尾巴好像被什么东西吹到了。因为当时的欧洲人热衷于发展航海,对靠风航行非常熟悉,开普勒认为,也许就像风在海里推动航行一样,彗星尾巴的运动是太阳的“微风”造成的。基于此,他设想,如果能让船只和船帆使用“太空空气”,它们就能在太空中滑行。他进一步假设推动太阳帆的最好方法不是利用太阳风,而是利用阳光本身的能量。这种“阳光本身的力量”就是光压。

后来著名物理学家麦克斯韦在研究电磁波时发现,

光也是电磁波,可见光是我们眼睛能看到的电磁波。1873年,他用实验证明了当光子从反射面反弹时,阳光会作用在反射面上

一个“柔和的压力”。所谓“柔和”,是指压力很小。


太阳光的光压究竟有多大呢?据测量,在太阳到地球的距离上,太阳光照射在空间1平方米面积上的能量为1.3~1.4千瓦。在物理学上,经常将这个能量除以光速(每秒30万千米)得到一个新的物理量——动量,再由单位时间内动量的变化来计算太阳光的压力。用这种方法计算出的太阳光的压力非常小。作用在每平方千米太阳帆反射面上的压力只有9牛顿。9牛顿的推力虽然很小,但在高度真空、清洁的空间,由于没有明显的摩擦力干扰,它仍能发挥巨大的推动作用,让飞船在太空扬帆远航。


关于光压的作用,1960年,美国宇航局发射“回声-1号”卫星。这是一颗直径为40米的巨大的气球卫星,体积大,重量轻。每当它出现在天空时,用肉眼也能看得很清楚。


还有一个例子。1974年,美国宇航局发射了一艘水星考察飞船——“水手-10号”。水星最接近太阳,周围有很强的阳光,是进行太阳帆试验的最好去处。飞船控制者设想用太阳的光压对飞船进行高度控制,结果收到良好效果,由此进一步证明了太阳帆原理。


自由穿移在太阳附近


太阳帆是用什么材料制成的?又是怎样发射和安装的呢?


材料 用来制作太阳帆的材料要求具有重量轻、反射性能好、耐高温和抗老化等特性,目前主要有镀铝的聚酯薄膜、有孔的薄铝网、镀铝的聚酰亚铵薄膜和镀铝的CP-1膜等,最常用的是镀铝的聚酰亚铵薄膜。由于耐高温,太阳帆可以在太阳附近自由穿梭。


设计 与时大时小的空气动压不同,太阳的辐射压很小,而且是固定的。因此,拦截辐射压的太阳帆一定要满足质量很轻、推力很大的要求。为此,在设计太阳帆时,需要考虑有最高的推力与质量比。


美国科学家用30~100纳米厚的薄铝片制造了一张试验用太阳帆,其推力为塑料薄膜帆的10倍以上。但由于材料太脆,不能安全地折叠、发射和展开,只能在空间生产。


在地面上也制造出了最高推力与质量比的太阳帆,这就是方形帆。这种帆用四根杆子将帆的四角张开,中间用一根杆子安装引线,杆子和引线都安装在帆的背光面。这种太阳帆的优点是具有防护太阳的结构,可以非常近距离地接近太阳,从而获取最大的推力。


20世纪70年代以来,美国科学家还研制出旋转薄片帆、旋转环形帆、环形帆、“直升飞机”帆以及电子太阳风帆等多种太阳帆。它们各具优点,也各有缺点,需要进一步完善。


发射 太阳帆因为使用的材料很脆,容易破裂,绝对不能直接从地面发射。发射太阳帆的方式有三种。一是先将太阳帆发射到太空,然后在太空展开,这样做需要两艘飞船。二是用卫星或其他飞船提供微波波束或激光光束在太空展开太阳帆,具体做法是:把这些成束的能量发射到太阳帆附近空间,在太阳帆穿过时为它提供第二能源。三是在发射时用微波波束推动太阳帆,发射后用可膨胀暴涨系统将太阳帆展开,然后用激光光束推动太阳帆飞行。


安置 来自于太阳或其他辐射源的光压由反射镜反射。作用在反射镜上的光子推力如同自然界其他力一样是矢量,即具有大小和方向两种属性。推力的大小和方向,同反射面与太阳的相对位置有关。当太阳光垂直入射到反射面上(称为正射)时,太阳光的压力全部用于推击反射面;当太阳光不是垂直入射,而是以一个角度入射到反射面(称为斜射)时,根据光反射定理,光线将被反射出去,反射光与反射面所成角度等于入射光和反射面所成角度,在这种情况下,只有投影到垂直于反射面的那部分太阳光的压力推击反射面,变成推动太阳帆前进的动力。


如此看来,太阳光入射太阳帆反射面的最佳方式是正射,但这实际上是不能实现的。因此,太阳帆通常置于斜射位置上,入射角的大小以使得飞船飞行方向的推力分量得到最佳数值来确定。


太阳帆的制作和安置是一件非常严密的工作,只有用理想材料制成太阳帆,并正确地装配在飞船上,才能很好地获取太阳光压,推动飞船在浩瀚的太空中前进。


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