NASA開始測試變革性的電動帆深空推進技術

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圖：E-Sail技術的概念圖（圖片來源：NASA網站）

據美國國家航空航天局網站2016年4月12日報道，近日，美國國家航空航天局（NASA）馬歇爾太空飛行中心開始測試一種被稱為「電動帆」的變革性深空推進系統概念，這種推進系統能以更快速度將航天器送往太陽系邊緣，即太陽風頂層。

該測試結果將為「太陽風頂層靜電快速運輸系統」（HERTS）提供建模數據。HERTS系統的構建基礎是芬蘭氣象研究所派卡?鑒胡能博士發明的電動帆技術。這電動帆是一種不需要推進劑的推進系統，利用太陽風進行星際空間旅行。

馬歇爾先進概念辦公室工程師、E-Sail項目主要研究者布魯斯?魏格曼表示，太陽風是太陽以極高速度（400-750千米/秒）釋放的質子和電子流，E-Sail將使用這些質子推進航天器飛行。E-Sail由10-20根帶電的裸露鋁線組成。這些電線從航天器中心向外延伸，形成巨大的圓形電動帆。帶正電的電線通過靜電作用排斥快速移動的太陽風質子，這種過程會產生動量交換，從而為航天器提供推進力。每根電線都極細，只有1毫米，並且非常長，將近12.5英里，相當於219個足球場。隨著該航天器以每小時1圈的速度緩慢旋轉，離心力將使這些電線延伸到合適位置。

該測試在高強度太陽環境測試系統中進行，旨在評審質子和電子與帶正電電線碰撞的比率。在模擬太空等離子體的受控等離子體反應室內，測試團隊使用不鏽鋼電線模擬輕質鋁線。儘管密度比鋁大，但不鏽鋼的防腐性可模擬鋁在太空中的性能，從在不會降級的條件下進行更多測試。工程師正在測量反應室內質子在通電電線影響下的偏移情況，以改進建模數據。這種建模數據將按比例放大，並用於未來E-Sail技術的研發。這些試驗還在測量電線所吸引的電子量。這些信息將用於為所需電子槍或電子發射器開發技術參數。電子槍或電子發射器將從航天器排出過剩電子，以維持電線的正電偏壓，而這種正電偏壓是使電線作為推進系統運行的關鍵。

目前，E-Sail綜合推進系統所需技術尚處於較低的技術成熟度。經過當前為期兩年的研究之後，如果等離子測試、建模和電線部署器研究的結果證明該技術有價值，該項目仍然有大量工作要做，以設計和建造這種新型推進系統。該技術距離實際應用至少還有十年時間。

E-Sail技術擁有以下特點：

長期持續加速縮短旅行時間。為了使科學探測器進行深空旅行，電動帆將必須具有大有效面積。空間旅行通常以天文單位（AU）或地日距離來測量。當航行距離為1個AU時，電動帆有效面積約為232平方英里（比芝加哥略小）；5個AU時，有效面積將增至463平方英里以上（近似於洛杉磯的城市面積）。有效面積的增加將使電動帆能比其他推進技術更長期的持續加速。例如，當太陽帆航天器抵達5個AU遠的小行星帶時，太陽光子能量會逐漸消散，從而停止加速。魏格曼認為，太陽風質子不會出現這類問題，E-Sail會在更遠的深空繼續加速。伴隨持續的質子流和不斷增加的有效面積，E-Sail將持續加速到16-20個AU的距離，這一距離至少比太陽帆遠三倍，將實現更高速度。

2012年，NASA「旅行者」一號成為首個穿過日球頂層並抵達星際空間的航天器。「旅行者」一號於1977年發射，花費了將近35年才完成121個AU的旅程。而HERTS的目標是通過研發電動帆，在1/3的時間內完成相同的旅程。魏格曼稱，研究工作已顯示出，由電動帆驅動的星際探測器任務可在不到10年內航行至日球頂層，會對這些任務的科學回報帶來變革性影響。

可擴展性。魏格曼表示，通過研究此概念，能越來越清楚地認識到其設計具有靈活性和適應性。任務和航天器設計者可權衡電線長度、電線數量以及電壓等級，以適應任務需求，執行行星、外行星或日球頂層任務。E-Sail具有可擴展性。

可操縱。在航天器旋轉時，可通過分別調整電線的電壓來操縱航天器。通過影響E-Sail不同部分受力的差異，工程師可操縱該航天器，就像船帆一樣。

HERTS的E-Sail概念研究是為了響應美國國家科學院2012年太陽物理學十年研究項目。該研究項目由NASA、工業界、學術界和政府機構專家執行，將先進推進技術確定為未來日球層探索的主要技術難題。該研究項目為NASA提供了太陽物理學領域2013-2022年的優先事項路線圖，突出了對能以更快速度抵達太陽系邊緣的推進系統的需求。E-Sail概念的研發和測試由NASA空間技術任務理事會的「創新先進概念」（NIAC）項目資助。在2015年NIAC項目中，該概念被選定作為第二階段提案，HERTS團隊被授予50萬美元的合同，以進一步測試電動帆技術。這不僅有可能改變NASA前往日球頂層的空間運輸方法，而且有可能改變太陽系內部任務的空間運輸方法。（馮雲皓 編譯）

（來源：中國載人航天工程網）