NASA開始對革命性電子能帆技術進行測試
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按照科學家的構想,電動太陽能帆(E-Sail)是一個巨大的圓形電動帆。它由極長極薄的裸電線構成,能對快速移動的太陽質子進行靜電排斥。帶正電的電線對太陽質子進行排斥所產生的動能交換能夠為宇宙飛船產生推動力。
圖片來源:NASA/馬歇爾航天飛行中心
太陽風頂層靜電快速傳輸系統(Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, HERTS)E-sail項目首席研究員,NASA工程師Bruce Wiegmann展示了構成電子帆的細長電線,每一根電線極薄,寬度只有1毫米(大約是一個標準曲別針的寬度),長度為12.5英里。
圖片來源:NASA/馬歇爾航天飛行中心/Emmett Given
研究人員將在一間等離子體控制室(高強度太陽能環境測試系統,the High Intensity Solar Environment Test system)使用一根帶正電的電線檢測質子和電子的碰撞速率。測試結果將幫助研究人員完善數據模型,以便E-Sail技術的後續開發。
圖片來源:NASA/馬歇爾航天飛行中心/Emmett Given
研究人員在NASA位於阿拉巴馬州亨茨維爾馬歇爾航天飛行中心(Marshall Space Flight Center)展開了相關測試。測試針對的是一種革命性新型概念的推進系統,該系統能夠使航天器達到前所未有的速度,並幫助航天器抵達太陽系邊緣——太陽風頂層的速度。
測試結果將為HERTS提供建模數據。HERTS E-Sail這一系統構想使用推進燃料,而利用太陽風作為推進動力進行星際空間探索。
「太陽以高速向太陽風釋放質子和電子——速度可達每秒400-750千米,」馬歇爾中心先進概念辦公室工程師、HERTS E-Sail項目首席研究員Bruce Wiegmann表示,「E-Sail將利用這些質子來推進航天器。」
從飛船中心向外延伸,能夠部署10到20根帶電鋁線,從而形成一個巨大的圓形E-Sail風帆。E-Sail會對太陽風裡快速移動的質子進行靜電排斥,而帶正電的電線對太陽質子進行排斥所產生的動能交換能夠為宇宙飛船產生推動力。每一根電線寬度只有1毫米(大約是一個標準曲別針的厚度),長度為12.5英里(相當於219個足球場的長度)。緩慢旋轉的航天器旋轉速度為每小時一圈,旋轉所產生的離心力將使得電線伸展到指定位置。
測試在高強度太陽能環境測試系統(the High Intensity Solar Environment Test system)中進行,研究人員將使用一根帶正電的電線檢測質子和電子的碰撞速率。為模擬太空中的等離子體環境,研究團隊將在等離子體控制室內使用不鏽鋼絲代替輕量級鋁絲進行測試。儘管不鏽鋼的密度比鋁大,但不鏽鋼不生鏽的特性能夠模擬鋁在太空環境下的特性,這樣就能在沒有降級的環境下進行多次測試。
工程師將在等離子體控制室內測量受帶電電線影響而型變的質子,以完善建模數據,便於E-sail技術後續規模化開發應用。試驗還將確認受電線吸引的電子數量,這一信息將用以確定開發所需要的電子槍(電子發射器)的技術參數。電子槍能夠驅除飛船中多餘的電子,以維持電線正電壓偏差,這一點對於推進系統來說是非常重要的。
這一概念建立於芬蘭氣象研究所(the Finnish Meteorological Institute)Pekka Janhunen博士的電子帆發明,但當前E-Sail組合推進系統所需要的技術尚處於一個低級的準備水平。即使歷時兩年的等離子體測試、數據建模以及電線部署調查都能得到可行的結果,研究人員還需要就新型推進系統做很多必要的設計和建造工作。這項技術要付諸實際使用可能還需要至少10年的時間。
HERTS電子帆概念的研究是為了響應美國國家科學院(the National Academy of Science)於2012年開始的太陽物理學十年調查(Heliophysics Decadal Survey)而展開的。太陽物理學十年調查是由來自NASA、企業、學術界以及政府機構的多名專家所進行的一項研究,該研究認為人類未來對太陽風層探索的最大技術障礙就是缺乏先進的推進系統。這項調查提出了2013-2022年太陽物理學界研究優先順序的規劃圖,強調我們需要可以幫助飛船以更快速到達太陽系邊緣的推進系統。
為將科學探測器送入星際深空,電子帆必須擴大其有效面積。星際航行的航程通常以天文單位(astronomical unit,地球與太陽間的平均距離,約為9300萬英里)來計量。航程為1個天文單位時,E-Sail的有效面積為232平方英里(大約比芝加哥城市稍小一點)。在航程達到5個天文單位時,有效面積將增至大於463平方英里(差不多是整個洛杉磯的大小)。
有效面積的增大將使得電子帆比其他推進系統擁有更遠的加速距離。例如,如果太陽帆飛船飛到小行星帶時,航程為5個天文單位,太陽質子的能量就會開始消散,並導致加速停止。Wiegmann認為,電子帆飛船能夠在5個天文單位後繼續加速。
「利用太陽風質子不會產生那樣的顧慮,」他說,「由於連續不斷的質子流以及有效面積的持續增加,電子帆能夠繼續加速飛行至16-20個天文單位——這一航距至少是太陽帆飛船的四倍,這也能產生更快的速度。」
2012年,NASA旅行者1號成為第一艘穿越太陽風頂層進入星際宇宙的宇宙飛船。旅行者1號於1977年發射,花費35年,跨越121個天文單位完成了這一旅程。而HERTS項目旨在研發出只用一款電子帆,它只需用旅行者1號三分之一的時間就能完成相同的旅程。
「我們的研究發現以電子帆驅動的星際探索任務將僅用不到10年的時間就能抵達太陽風頂層,」Wiegmann說,「這將會對這一類科學探索任務產生變革性影響。
HERTS E-Sail概念的研發和測試由NASA空間技術任務指揮部(Space Technology Mission Directorate,STMD)通過NASA創新先進概念項目(NASA Innovative Advanced Concepts - NIAC Program)提供資金支持,這一項目旨在鼓勵人們提出有遠見的想法,為未來太空項目帶來極大進步或全新概念的轉變。NIAC項目研究對象都是具有創新性、在技術上可靠的先進概念,這些概念今後可能在航空宇宙中「帶來一些可能的改變」。
HERTS團隊在2015年被選為NIAC2期團隊,獲得額外50萬美元的獎金以進一步測試電子帆技術。NIAC期待電子帆不僅能夠改變NASA飛船抵達太陽風頂層的航行方式,而且能夠改變NASA飛船在太陽系內的航行方式。
「隨著項目團隊對這一概念的研究深入,我們發現這一設計具有很強的靈活性和適用性,」Wiegmann表示,「任務和飛行器設計師能夠更換電線長度、電線數量和電壓等級來滿足他們的設計需求——無論是內行星級、外行星級還是太陽風頂層的行距。電子帆具有很強的擴展性。」
在飛船旋轉的過程中,工程師能夠通過調整單個電線的電壓來掌控飛船的方向。向電子帆不同位置施加不同大小的力將使得工程師能夠掌舵宇宙飛船,就像是在水中行船一樣。(校對:梧松楊滿生 )
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