8
编者按：本文作者芷水，来自星际航行
4月12日霍金和米尔纳共同宣布启动“突破摄星”的计划，这是人类历史上前所未有的以寻找太阳系外宜居星球为目标的太空探索计划。
从该项目网站上公布的信息我们可以得知：“突破摄星”计划的目标任务是在我们这一代人的有生之年，抵达半人马座阿尔法星（AlphaCentauri）。核心内容是纳米探测器（Nanocrafts）和地面激光推进装置（Light Beamer）。
纳米探测器包含星芯（StarChip）和光帆（Lightsail）两个主要部分。星芯包括相机、光子推动器（photonthruster）、动力供应系统、导航和通讯设备，属于微型完整的空间探测器，总重量是几克乃至几十克，光帆质量为几克乃至几十克。激光推进装置由若干激光阵列构成，每次发射需要产生和存储的能量，大约相当于几百万度（千瓦时）的电量。
通过项目实施网站的描述，我们认为整个项目的飞行过程如下：
在高海拔的干燥地区，建立陆基的、范围为几公里的激光相控阵列，中国的西藏高原是备选发射地之一。
每次发射时需要产生和存储的能量大约相当于几百万度电（gigawatt hours）。
发射搭载几千个纳米探测器的卫星飞到高纬近地轨道上。
采用自适应光学技术，消除大气层对激光光束的干扰 。
把激光束聚焦在光帆上，在几分钟内，把纳米探测器加速到五分之一的光速。
星际航行有可能遇到星际尘埃损失掉部分探测器。
用纳米探测器上的激光通讯系统将拍摄到的行星图像和其他科学数据传回到地球上。
利用纳米探测器的激光探测装置收集4光年后的数据。
计划的技术难点
据该网站说：所有的关键要素要么是已经可以实现的，要么就是在合理假设下有可能在近期内实现的。
“突破摄星”计划将在开放、合作的研究环境中进行，完全属于基础科学研究；发表新结果，完全透明、开放获取；对所有相关领域的专家开放，对公众开放，谁都可以到项目网站的论坛来贡献想法。该计划旨在给科学和太空探索带来革命性的变化，目前已经获得1亿美元的研究经费。
结合美国去年公布的《2015年NASA一体化技术路线图》报告来看这个项目，不难发现此项目技术难点主要集中在两个部分，一是需解决星际航行中的先进空间推进问题，包括定向能和太阳帆推进；二是需解决探测器的小型化问题，包括采用纳米材料、结构和制造问题，只有这两个基础性的前沿科技问题解决了，寻找人类适应生存的目的地星球的视野才能放宽到太阳系外。这两个问题在《2015年NASA一体化技术路线图》报告中都有详细的分析。
先进空间推进技术
先进空间推进技术主要包括定向能推进、太阳帆或阻力帆推进、电帆推进、聚变推进、反物质推进、先进裂变推进等，采用这些技术可以提高空间探索的有效性，提高空间任务的灵活性，并可实现在目的地完成一系列科研任务的目标。这些技术的技术生熟度目前还都不高约2-5级，能在工程应用验证成熟后正式服役的技术为9级技术成熟度。
“突破摄星”中提出的在地面高纬度地区放置范围几千公里的激光相控阵，通过激光给纳米探测器加速至20%光速，就属于定向能推进技术。
定向能推进是指从地基或空基能量站发出的激光或微波能射向轨道飞行器，用于加速轨道飞行器，同传统的化学推进相比，定向能推进可使飞行器获得较大的加速速度。
这项技术的远期目标是使用高比冲推进系统（例如从地基发射激光）实现轨道转移任务，面临的技术挑战包括带有自适应、实时光学追踪的大型地面或空间能量源；陶瓷复合材料、冷却及光技术；推进剂输送系统及热交换系统的研制工作也是难点。
这项技术目前的技术成熟度为2[含义为形成潜在应用和初步的技术单元概念，但尚未验证]，美国国内已经完成了小规模试验验证，使用10kW脉冲激光器可实现230ft高度自由飞，行星轨道转移试验件已经完成，比冲估计达到500s；这项技术的研发目标是使用定向能实现立方星的轨道变更，最短技术成熟时间为5年，技术成熟度达到5[含义为识别技术单元的关键功能，定义与之相关的相关环境。建造用于在相关环境下验证性能的原理样件（非全尺寸），受制于尺寸效应]。
“突破摄星”中提到的另一种先进空间推进技术是太阳帆推进的技术，是指利用类似于镜子的大型帆反射太阳光产生推力，帆面采用轻质并具有反射特性的材料制造而成。
持续的太阳光压能够提供有效主动力，不需要耗费任何推进剂或其他能源，可以执行速度增量大以及工作时间长的深空探测任务。通过研制尺寸更大的太阳帆和能力更强的太阳帆推进系统，可以帮助NASA开展更多的任务和任务类型。
按照NASA的计划安排：
第一代太阳帆需要足够的速度增量将寿命长达10年的航天器送到地日之间的拉格朗日点L1，将航天器置于地日连线的固定位置上，预计探测器ΔV＞20km/s，在3年时间内用于“日地关系探测器”计划上。
第二代太阳帆需要足够的速度增量将寿命为10年以上的航天器送入0.48个天文单位以远的以太阳为中心的轨道上（倾角在75度以上），预计探测ΔV＞30km/s，在2年时间内用于“太阳风探测器”计划上。
第三代太阳帆需要足够的速度增量将旅行者一类的航天器送到250个天文单位以远的位置，要求在20年内发射，预计探测器ΔV＞40km/s，在2年时间内用于“亚轨道探测器”计划上。
要达到这样的要求，需要厚度小于3微米的太阳帆，所需的面积为1600m2、22500m2和90000m2。这些技术挑战都和太阳帆的规模相关，包括制造、封装、部署、制导、导航和控制，这项技术的技术成熟度为5，美国已经展开20m×20m地面系统验证，3μm厚度，预计在2-3年时间内技术成熟度可达到7（含义为在地面或空间环境下演示使用环境下的性能。建造并试验能够反映飞行模型设计的所有因素的典型模型，为在使用环境中演示性能留足余量），探测器使用寿命＞10年。
此外在《2015年NASA一体化技术路线图》报告中指出美国在纳米材料和纳米制造方面的最新进展可减轻太阳帆质量、提高耐久性和性能的方法。
静电纺丝被证实可用来生产用作超轻膜的低密度纳米级纤维毡，以取代太阳帆所用的传统聚合物膜。可以通过使用纳米级材料添加剂（如碳纳米管、粘土或石墨烯）来改善强度和对空间环境的耐受性（原子氧、辐射）。静电纺丝纳米纤维结合自适性纳米复合材料可以用于转向太阳帆的开发。这项技术有望在5年内技术成熟度从3提高到6。
星际航行一直都是许多人的梦想，以目前科技水平来看虽然实现这一梦想面临着众多的技术障碍，但是霍金教授称，梦想实现的速度可能比我们想象的要快得多。结合美国《2015年NASA一体化技术路线图》报告中对先进空间推进基础技术的研究进展情况来看，这句话可不是忽悠啊！
扎实的基础研究功底加上大胆的科学任务设计，以及充足科研资金支持和开放的科研创新环境，一切梦想皆有可能！
[本文部分图文来自于网络综合]
雷峰网原创文章，未经授权禁止转载。详情见转载须知。
