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NASA准备将其下一代太阳帆送入深空
众所周知，在地球上太阳能是免费且取之不尽的。对于运行在太阳系内侧的航天器来说也是如此。然而在太空，太阳不仅可以提供电能，还可以源源不断地喷射出太阳风。
太阳帆可以利用太阳风为航天器提供推进力。美国宇航局 (NASA) 正准备测试一种新型太阳帆设计，该设计可以使太阳帆更加高效。
整个太阳系都充斥着太阳辐射压力。虽然这种压力会随着距离的增加而减弱，但它始终存在。它会影响所有航天器，包括卫星。它会显著影响长时间的太空飞行。
执行火星任务的航天器在航行过程中可能会因太阳辐射压力而偏离航向数千公里。这种压力也会影响航天器的姿态，而航天器在设计时就考虑到了这一点。
尽管太阳辐射压力会带来阻碍，但我们也可以利用它来为我们服务。
自 2010 年日本推出伊卡洛斯 (Ikaros) 探测器以来，已经发射并测试了几艘太阳帆飞船。伊卡洛斯 探测器证明了太阳辐射压 (以光子形式存在) 可以用于控制航天器。
最近的太阳帆飞船是行星协会的光帆 2 号，它于 2019 年发射升空。光帆 2 号执行了一项成功的任务，持续了三年多。
与其他航天器相比，太阳帆飞船具有一些优势。它们的推进系统非常轻巧，并且永远不会耗尽燃料。太阳帆飞船执行任务的成本比其他航天器更低，使用寿命也更长，尽管它们也存在一些限制。
太阳帆的概念现已得到证实，但要想真正发挥效用，这项技术还需要进一步发展。太阳帆飞船的关键部件之一是它的桁架。桁架支撑着帆布，它们越轻越结实，航天器就越有效。
虽然太阳帆比其他航天器轻得多，但桁架的重量仍然是一个障碍。
“桁架要么又重又笨重，要么由轻质复合材料制成，但体积庞大 – 这两种都不是当今小型航天器的理想选择。”
—— 美国宇航局 ACS3 项目首席研究员 Keats Wilkie
美国宇航局即将推出采用新型支撑结构的太阳帆设计。该设计被称为先进复合太阳帆系统 (ACS3)，它比以前的桁架设计更加坚固轻巧。它由碳纤维和柔性聚合物制成。
尽管太阳帆有很多优点，但它们也有一个致命缺点。它们在发射时被压缩成小包装，必须展开后才能开始工作。这个操作过程可能充满困难，也会给地面控制人员带来压力，他们只能等待并祈祷展开成功。
ACS3 将与由 NanoAvionics 建造的 12U CubeSat 一起发射。任务的主要目标是展示桁架的展开过程，但 ACS3 团队也希望这项任务能够证明他们的太阳帆飞船可以正常工作。
为了改变方向，航天器会调整其帆的倾角。如果桁架展开成功，ACS3 团队希望通过调整帆的倾角来操纵航天器，改变其轨道。他们的目标是制造能够产生更大推力的更大帆。
“我们希望这项航天器上验证的新技术能够启发其他人以我们从未想过的方式来利用它们。”
—— 美国宇航局埃姆斯研究中心 ACS3 首席系统工程师 Alan Rhodes
ACS3 的桁架设计旨在克服桁架的一个难题：它们要么又重又细，要么又轻又笨重。
“桁架要么又重又笨重，要么由轻质复合材料制成，但体积庞大 – 这两种都不是当今小型航天器的理想选择，”美国宇航局兰利研究中心 ACS3 项目首席研究员 Keats Wilkie 说。
“太阳帆需要非常大、稳定且轻质的桁架，这些桁架可以折叠成紧凑的形状。这种帆的桁架呈管状，可以压成扁平的形状，像卷尺一样卷成一个小包裹，同时还具有复合材料的所有优点，例如在温度变化时减少弯曲和挠曲。”
ACS3 将搭乘电子火箭从新西兰火箭实验室的发射场升空。它将前往距地球 1,000 公里 (600 英里) 的太阳同步轨道。
抵达后，航天器将展开桁架并释放帆。展开帆布大约需要 25 分钟，展开后的帆布面积为 80 平方米，约合 860 平方英尺。这比光帆 2 号大得多，后者帆布面积为 32 平方米，约合 340 平方英尺。
在展开过程中，航天器上的摄像头将观察并监控帆布的形状和对称性。从机动中获得的数据将用于未来的帆布设计。
“七米的可展开桁架可以卷成一个手持大小的形状，”美国宇航局埃姆斯研究中心负责该任务的首席系统工程师 Alan Rhodes 说。“我们希望这项航天器上验证的新技术能够启发其他人以我们从未想过的方式来利用它们。”
ACS3 是美国宇航局小型航天器技术计划的一部分。该计划旨在快速部署具有独特功能的小型任务。
凭借独特的复合材料和碳纤维桁架，ACS3 系统有可能支撑高达 2,000 平方米(约合 21,500 平方英尺)的帆。这大约相当于半个足球场大小。
借助大型帆，他们可以支持的太空任务类型将发生改变。虽然到目前为止，太阳帆只是一些小型演示模型，但该系统有可能为一些重要的科学任务提供动力。
“太阳将燃烧数十亿年，因此我们拥有一股取之不尽的推进力来源。未来任务可以不再发射巨大的燃料箱，而是发射更大的帆，利用现有的 ‘燃料’，” Rhodes 说。
“我们将展示一个利用这一丰富资源迈出探索和科学下一步巨大人口的系统。”
太阳帆飞船没有化学或电气推进系统那样的瞬时推力。但它们的推力是恒定的，几乎不会发生变化。
它们可以做其他航天器难以做到的事情，例如采取独特的姿态以研究太阳。它们可以作为日冕物质抛射和太阳风暴的预警系统，这些事件会带来危险。
新型复合桁架还有其他应用。由于它们非常轻巧、坚固且紧凑，因此可以用作月球和火星栖息地的结构框架。
它们还可以用于支撑其他结构，例如通信系统。如果该系统成功，谁知道它还会服务于哪些其他应用呢？
“这项技术激发了想象力，重新定义了航海的概念并将其应用于太空旅行，”美国宇航局埃姆斯太阳帆任务项目经理 Rudy Aquilina 说。
“展示太阳帆和轻质复合桁架的能力是利用这项技术激发未来任务的下一步。”
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。