這種革命性的太空旅行方法，可能使未來(lái)的科學(xué)任務(wù)能夠研究太陽(yáng)的極地地區(qū)。
上圖：科學(xué)家對(duì)衍射光帆的構(gòu)想。 彩虹狀的圖案類似于CD碟片在光線下的樣子。
一個(gè)開發(fā)衍射式太陽(yáng)帆的項(xiàng)目，已經(jīng)進(jìn)入了NASA先進(jìn)概念計(jì)劃的第三階段，也是最后一階段。該項(xiàng)目背后的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在有兩年的時(shí)間來(lái)進(jìn)一步開發(fā)這種非常規(guī)的空間推進(jìn)手段。
NASA 今天宣布，除了延期兩年外，由約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的安珀·杜比爾（Amber Dubill）領(lǐng)導(dǎo)的衍射光帆項(xiàng)目，還獲得了額外的200萬(wàn)美元。第三階段的資金是通過航天局的創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計(jì)劃提供的。有了額外的時(shí)間和資金，安珀·杜比爾和她的同事們現(xiàn)在將致力于一項(xiàng)示范任務(wù)。
美國(guó)宇航局局長(zhǎng)比爾·納爾遜（Bill Nelson）在聲明中表示：“隨著我們探索到比以往任何時(shí)候都更遠(yuǎn)的宇宙，我們將需要?jiǎng)?chuàng)新的尖端技術(shù)來(lái)推動(dòng)我們的任務(wù)。美國(guó)國(guó)家航空航天局的創(chuàng)新先進(jìn)概念項(xiàng)目有助于釋放有遠(yuǎn)見的想法（比如新穎的太陽(yáng)帆），并使它們更接近現(xiàn)實(shí)?！?/p>
衍射太陽(yáng)帆項(xiàng)目于2019年進(jìn)入 NIAC 第二階段。羅切斯特理工學(xué)院工程師格羅弗·斯沃茨蘭德（GroverSwartzlander）領(lǐng)導(dǎo)了NIAC項(xiàng)目的前兩個(gè)階段，現(xiàn)在將繼續(xù)擔(dān)任聯(lián)合研究員。
安珀·杜比爾表示：“能夠加入NIAC的富有想象力和創(chuàng)造性的團(tuán)隊(duì)，我感到無(wú)比興奮。實(shí)際上，從2017年開始，我以各種身份參加了不同的NIACs，但能夠領(lǐng)導(dǎo)一屆NIACs是我夢(mèng)寐以求的榮譽(yù)。多年來(lái)，我一直受到我的合作研究人員的指導(dǎo)，他們信任我，讓我領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究，并在一個(gè)鼓勵(lì)這種創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)繼續(xù)開發(fā)這項(xiàng)研究，這對(duì)我來(lái)說(shuō)意義重大?！?/p>
太陽(yáng)帆的工作原理是利用太陽(yáng)光推動(dòng)飛行器在太空中穿行，類似于風(fēng)推動(dòng)帆船在水面上航行。與使用行星協(xié)會(huì)開發(fā)的反射帆不同，正在提議的系統(tǒng)將使用衍射帆。衍射的一個(gè)可取屬性是，當(dāng)光通過一個(gè)小開口時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致光擴(kuò)散。以下是格羅弗·斯沃茨蘭德在2019年對(duì)這一概念的描述：
我們即將進(jìn)入太空旅行的新時(shí)代，利用太陽(yáng)輻射對(duì)又大又薄的帆膜施加壓力。在過去的100年里，傳統(tǒng)的想法是使用反射帆，比如在薄聚合物上涂一層金屬涂層，然后在太空中展開，但你也可以得到一個(gè)基于衍射定律的力。與反射式風(fēng)帆相比，我們認(rèn)為衍射帆的效率更高，能夠更好地承受太陽(yáng)的熱量。這些帆是透明的，因此它們不會(huì)從太陽(yáng)吸收大量熱量，而且我們不會(huì)像使用金屬表面那樣遇到熱量管理問題。
傳統(tǒng)反光設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)包括帆又大又薄。它們還受到陽(yáng)光方向的限制，這限制了電力或?qū)Ш剑驗(yàn)槟悴荒芡瑫r(shí)擁有兩者。相比之下，衍射光帆在帆的材料上使用微小的光柵來(lái)衍射光線。正如美國(guó)宇航局所說(shuō)，這將使宇宙飛船“在不犧牲機(jī)動(dòng)性的情況下更有效地利用陽(yáng)光”。由安珀·杜比爾提出的設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生更小更靈活的帆。還有一個(gè)有趣的副作用是，光帆上會(huì)產(chǎn)生彩虹圖案，就像CD碟片在光線下的樣子。
在NIAC第一階段和第二階段，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、創(chuàng)造和測(cè)試了各種衍射帆材料。該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了測(cè)試，并針對(duì)未來(lái)的太陽(yáng)能任務(wù)開發(fā)了導(dǎo)航和控制方案。事實(shí)上，衍射帆可以使圍繞太陽(yáng)極區(qū)軌道運(yùn)行的衛(wèi)星星座成為可能。在太陽(yáng)的北極和南極上空，太陽(yáng)帆衛(wèi)星，擁有永久的動(dòng)力來(lái)源，將進(jìn)行前所未有的科學(xué)觀測(cè)。
安珀·杜比爾解釋道：“衍射太陽(yáng)航行是對(duì)幾十年前的光帆愿景的現(xiàn)代詮釋。雖然這項(xiàng)技術(shù)可以改進(jìn)多種任務(wù)架構(gòu)，但它有望極大地影響太陽(yáng)物理學(xué)界對(duì)獨(dú)特太陽(yáng)觀測(cè)能力的需求?！?/p>
安珀·杜比爾還描述了未來(lái)兩年的兩個(gè)主要目標(biāo)：開發(fā)衍射帆，以及利用衍射帆開發(fā)太陽(yáng)極軌衛(wèi)星星座任務(wù)。
“我們計(jì)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化和制造衍射帆材料樣品，我們想通過光學(xué)測(cè)試和空間環(huán)境測(cè)試來(lái)表征它們，”安珀·杜比爾說(shuō)道。“與此同時(shí)，我們計(jì)劃發(fā)展太陽(yáng)極地軌道飛行器任務(wù)的愿景，通過建立帆的最佳軌跡和姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)由我們的太陽(yáng)物理學(xué)家要求的有效載荷套件的太陽(yáng)觀測(cè)。通過擴(kuò)展衍射帆的設(shè)計(jì)和開發(fā)整體帆船概念，我們的目標(biāo)是為未來(lái)使用衍射光帆技術(shù)的演示任務(wù)奠定基礎(chǔ)。”
如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，這個(gè)概念可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的天基任務(wù)和擬議的太陽(yáng)衛(wèi)星。
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