美研發革命性技術：10年飛出太陽系

美國宇航局(NASA)的工程師們已經開始測試新型空間推進系統，一旦成功，它將有望將人類的探索範圍拓展至恆星際空間。

這一系統將利用太陽釋放出的大量粒子產生的推力，實現史無前例的加速。研究人員們指出，採用這種推進方式的新型飛船將能夠在短短10年內飛抵日球層頂，而採用1970年代技術發射的旅行者號飛船完成這一路程則整整耗費了35年的時間。日球層頂是太陽風作用逐漸終止，空間環境逐漸向恆星際空間過渡的邊界層。

這一新型推進概念被稱作「日球層頂靜電快速推進系統」，或者直接稱為「靜電風帆」，其推進不需要任何內部安裝的推進系統。相反，「靜電風帆」將藉助太陽風抵達日球層頂，那裡可以被視作是太陽系的邊界。

一艘緩慢自轉的飛船可以釋放10~20根帶電鋁製導線，形成一個巨大的「靜電風帆」。每條這樣的導線厚度僅有一毫米，但長度達到12.5英里(約合20公里)，幾乎和219個足球場相當。

這款「靜電風帆」能夠排斥通過的帶電荷的質子流，從而產生推力。HERTS「靜電風帆」項目的首席科學家，美國宇航局馬歇爾空間飛行中心先進概念辦公室的布魯斯·魏格曼表示：「太陽每時每刻都在以極高的速度釋放出大量質子和電子，速度可以達到每秒400~750公里。而靜電風帆正是利用這股粒子流實現推進。」

目前，位於亞拉巴馬州的美國宇航局馬歇爾空間飛行中心已經開始了相關技術實驗，預計這一研究項目將持續至少兩年時間。在這次實驗期間，工程師們將會確定靜電風帆在飛行過程中能夠排斥開的質子數量以及能夠被吸引的電子數量。工程師們還將開展等離子體測試，並改進未來進一步開發靜電風帆所需要模型數據。

關於靜電風帆推進的最初設想來自芬蘭氣象研究所(FMI)的裴卡·詹能博士，但研究人員表示想要真正將這一設想變為現實仍然有大量的工作需要去做，目前這項技術距離真正實現應用至少還有10年以上的差距。

隨著飛船逐漸遠離太陽，這款風帆的有效作用面積還會進一步增加，在距離太陽一個天文單位(即地球到太陽的平均距離)處，這款風帆的有效作用面積大約是232平方英里(約合600.87平方公里)，但在距離5個天文單位處，其有效面積將增大到大約463平方英里(約合1199.2平方公里)。

在一般情況下，太陽光子流的能量隨著和太陽之間的距離增加，其能量會減弱，因此一般認為採用太陽光壓推進技術的飛船到了太陽系的小行星帶範圍外側開始就將很難獲得足夠的推力繼續向外飛行了。

但是靜電風帆利用的是太陽風粒子流(質子和電子)，因此情況完全不同，在小行星帶範圍外側，靜電風帆將能夠繼續向前飛行。魏格曼表示：「我們不必有此擔心，伴隨穩定的質子流和不斷擴大的有效推進面積，甚至在距離太陽遠達16~20天文單位的位置上，我們的飛船仍然將能夠獲得足夠的推力而維持飛行，這已經比採用光壓技術的太陽帆飛船的飛行距離至少超出3倍以上。這樣漫長的加速過程將產生極高的速度。」

當美國宇航局的旅行者-1號飛船在2012年確認跨越日球層頂的時候，這艘飛船在太空里已經飛行了整整35年之久。而採用這種新型推進技術的未來飛船達成這一目標預計將只需要大約1/3的時間。魏格曼表示：「我們的研究顯示，採用靜電風帆技術推進的飛船將能夠在不到10年的時間裡抵達日球層頂。這將對此類飛船的科學回報效率產生革命性的影響。」

儘管這項技術的設計初衷是為了讓飛船跨越日球層頂，但研究人員們表示其對於太陽系內部的探索同樣意義重大。

魏格曼表示：「隨著研究組深入考察這一技術概念，事情已經逐漸變得清晰，那就是這項技術設計是具有靈活性和可調整性的。未來的任務設計者們可以通過調節導線長度、導線數量以及電壓高低來適應不同的任務目的——或許是內太陽系探索、外太陽系探索或者是飛往日球層頂區域。靜電風帆技術的應用範圍廣闊。

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