15世纪地理大发现时期.ppt

1、Solar Sale,by 王钟溪 number 0610271,光帆,世纪地理大发现时期，西欧的水手们扬帆远航，驶向传说中的大陆。未来的星际航行恐怕还要借助“帆”这种 古老的工具，只不过驱动“太空帆”的不是气流而是光。早在19世纪末，物理学家就已证明光压的存在。年，科学家提出，实现长 期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆发射大功率激光。这种帆被称为“光帆” 。,光压存在实验,证实光压存在的实验是苏联科学家列别捷夫所做的实验，下图是他的实验工具：细金属片R放置于真空的容器G中，B点产生电弧光然后通过透镜组C、D、K、W到达反射镜组，最后经过一系列反射照射 到真空中的细金属片R。通过挪动S1反射

2、镜的位置可以让光从右侧入射，或者从左侧入射照到细金属片R的背面。P1可以转送部分光线到热电偶T，从而测量能 量的大小。,光帆的工作原理,太阳帆的厚度比一张信纸要薄40-100倍，尽管面积很大，但重量非常轻，这样，帆上受到的光压和太阳风压力会给它足够的动力，通过调整帆的角度还可以调整航向。但是仅依靠恒星产生的光压是远远不够的。人们设想是在绕地球轨道，或者环绕太阳的轨道以至月球上安装一 组激光器或者微波发送器，用它们的力量来推动光帆。由于人工的方式可以让能量比阳光集中，所以其效果要大大好于阳光，并且能解决深空航行的问题。美国宇航局最近的研究说这样的飞行器速度能最终达到光速的1/10（大约是每秒3万

3、公里），而有更乐观的观点认为能达到光速的一半。,光帆的结构,为了能够航行并且携带一定的有效载荷，光帆的面积必须非常巨大，才能获得足够大的推力。我们现在所试验的光帆都仅仅几 十米宽，但在实际应用中，光帆的尺度需要以公里来计算。而同时，还必须特别薄，以减轻重量，目前看来最适合的物质应该是碳纤维制品，因为碳纤维制成的光帆 厚度可以只有几微米，而且这种材料也是少数几种能够承受来自太阳的热和辐射的材料之一。,两种基本光帆系统,俄亥俄州Sandusky的一个美国宇航局研究中心中，四片组合在一起的太阳帆正静静地安放在一个直径100英尺的真空室内,太阳帆制造者加州Able Engineering在弗吉尼亚州展

4、开过一个单片的三角形帆,光帆的优势,光帆最大的好处是它们有免费的推进系统，既不需要发动机，也不需要燃料，节省了大量的重量，而且可以长期加速，这两者 结合意味着它最终能达到很高的速度。在距离太阳1个天文单位的距离（也就是地球附近），阳光的压力是每平方千米9牛顿，对比起来，航天飞机的推力是要以百 万牛顿来计算。但航天飞机很快就把它的燃料用光，由于这个原因，传统的火箭发动机的极限大概是每小时3万英里左右，想再快的话，就必须利用行星的引力来加 速。而不用燃料，能够长期加速的光帆飞行器要最终加速到每小时20万英里并不难。也就是说从长期看，光帆一定是更快的，更节省时间，这对于行星际航行，尤 其是恒星际航行

5、来说是非常重要的。我们可以用它来完成恒星际的先驱航行任务.,光帆的缺陷,第一个是激光和微波指向装置必须非常精确，而且随着距离越远，难度越大； 第二个是飞船只能携带很少的有效载荷； 第三个，也是最严重的问题是，这样的距离无法和地球这里及时联络，如果遇到什么情况，需要地球这里进行调整的话，根本无法进行。比如，当飞船距离基地 只有2光年的距离时，就需要四年多才能调整，其中两年用于无线电波返回基地，两年多（因为要加上这4年中飞船又走的距离）用于调整后的激光到达并产生效 果。,Cosmos-1 宇宙一号,宇宙一号是由美国民间组织行星协会与宇宙工作室联合研制第一艘太阳帆船。曾于2001年进行过一次亚轨道飞

6、行，但以失败告终。历时三年后，新一代的宇宙一号终于浴火重生。仍然起名为宇宙一号。定于2005年6月发射。 宇宙1号”重约100公斤，主体由8片15米长、三角形的聚酯薄膜太阳能板构成。抵达轨道后，“宇宙1号”会将这个“太阳帆”伸展开来，覆盖面积达600平方米。太阳光首先落在帆的镜子表面，然后反射，并产生压力，在宇宙完全真空的状况下，这种微小的压力能成为驱动“宇宙1号”的动力，使它每一秒都获得加速度。同时，地面控制室可以遥控转换帆的角度，灵活控制“宇宙1号”的运行方向。 如果这次试验能够成功，它将为开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步，可以相信，人类未来完全可以利用太阳帆从事深空探索，并给人类的太空

7、旅行带来一场新的革命。因此，“宇宙一号”的命运不仅关系到未来星际航行中能源系统的建设，也将关系到人们对研制开发太阳帆的态度。,整装待发的宇宙一号,宇宙一号展开假想图,Cosmos-1 项目人员合影,宇宙一号的发射,“宇宙一号”太阳帆飞船，以潜艇水下发射的独特形式开始它的航程。在发射前的三四星期，该飞船就已被带到了俄罗斯摩尔曼斯克市附近的瑟沃摩尔斯克（Severmorsk）海军基地，在之后的几星期，经过对光帆的检测和电池等设备的安装和充电后，飞船被安置在由SSN18洲际弹道导弹改进的三级“波浪”火箭（Volna）的弹头部，随后火箭被运到一艘俄罗斯核潜艇上，在距发射时间半天的时候被送往巴伦支海进行

8、发射。如果发射成功，“宇宙一号”将最终进入800公里高的地球近地轨道，这将使其成为第一个真正进入地球轨道的光帆飞船。,载有宇宙一号的火箭正在装入核潜艇,宇宙一号的失败,。 北京时间22日凌晨，俄“波浪”运载火箭携带俄美合作开发的“宇宙一号”飞船从位于巴伦支海域的一艘潜艇上发射升空。在发射后的第83秒，第一级运载火箭的发动机自发性停止工作，从而导致发射失败。 但数小时后，主持这一项目的美国行星学会发布声明说，地面测控人员在俄罗斯堪察加半岛、太平洋马绍尔群岛和捷克共和国的测控站都收到了微弱的遥测信号。美国控制人员说，这表明“宇宙一号”飞船确实已进入了围绕地球的轨道，虽然轨道并非他们所预设的，但他们

9、确信飞船“还活着”。 不过俄罗斯专家针对上述说法予以了间接的否定。专家称，地面站记录的一些信号未必与飞船有关，“根据现有的遥测数据，几乎可以肯定地说，卫星丢失了”。火箭和飞船可能坠落在俄新地岛。,专家担心人类第一艘太阳帆飞船分离失败。,科学家描述最后一次接到“宇宙一号”信号的地点。,失败后的反思,这次失败是由于飞船载体出了问题，而不在于飞船本身。另人遗憾的是这次实验并没有验证光帆在实际环境中的可行性。究其原因还是经费太少，使得工作人员在选择发射设备时不得不节俭到了危险的地步。但值得欣慰的是科学家们在这三年的努力中积累了大量的经验，项目负责人已经在计划着另一次发射。让我们预祝他们的成功。 正如一味科学家说的那样，通往外星球的道路是充满坎坷的。,光帆的运用前景,研制宇宙一号的一部分目的就是引起其他航天机构的注意，从这一点来说，他们的目的已经达到了。今天，NASA已经在光帆领域取得了长足的进步，右图是一个实验中的有足球场大小的光帆。 光帆的运用前景十分广阔，相信在不远的将来，飞往冥王星的探测器就将由光帆驱动，此外光帆在全球通信领域也有着无可比拟的优势，未来，悬浮于北极上空的光帆将为地球通讯的死角提供十分重要的连接。,飞向半人马座,宇宙一号的失败并不能放慢人们开发光帆的脚步。今天，人类已经计划飞往火星，但是，想实