15世紀地理大發(fā)現(xiàn)時期.ppt

1、Solar Sale,by 王鐘溪 number 0610271,光帆,世紀地理大發(fā)現(xiàn)時期，西歐的水手們揚帆遠航，駛向傳說中的大陸。未來的星際航行恐怕還要借助“帆”這種 古老的工具，只不過驅(qū)動“太空帆”的不是氣流而是光。早在19世紀末，物理學家就已證明光壓的存在。年，科學家提出，實現(xiàn)長 期太空飛行的最佳方法是向一個大型薄帆發(fā)射大功率激光。這種帆被稱為“光帆” 。,光壓存在實驗,證實光壓存在的實驗是蘇聯(lián)科學家列別捷夫所做的實驗，下圖是他的實驗工具：細金屬片R放置于真空的容器G中，B點產(chǎn)生電弧光然后通過透鏡組C、D、K、W到達反射鏡組，最后經(jīng)過一系列反射照射 到真空中的細金屬片R。通過挪動S1反射

2、鏡的位置可以讓光從右側入射，或者從左側入射照到細金屬片R的背面。P1可以轉送部分光線到熱電偶T，從而測量能 量的大小。,光帆的工作原理,太陽帆的厚度比一張信紙要薄40-100倍，盡管面積很大，但重量非常輕，這樣，帆上受到的光壓和太陽風壓力會給它足夠的動力，通過調(diào)整帆的角度還可以調(diào)整航向。但是僅依靠恒星產(chǎn)生的光壓是遠遠不夠的。人們設想是在繞地球軌道，或者環(huán)繞太陽的軌道以至月球上安裝一 組激光器或者微波發(fā)送器，用它們的力量來推動光帆。由于人工的方式可以讓能量比陽光集中，所以其效果要大大好于陽光，并且能解決深空航行的問題。美國宇航局最近的研究說這樣的飛行器速度能最終達到光速的1/10（大約是每秒3萬

3、公里），而有更樂觀的觀點認為能達到光速的一半。,光帆的結構,為了能夠航行并且攜帶一定的有效載荷，光帆的面積必須非常巨大，才能獲得足夠大的推力。我們現(xiàn)在所試驗的光帆都僅僅幾 十米寬，但在實際應用中，光帆的尺度需要以公里來計算。而同時，還必須特別薄，以減輕重量，目前看來最適合的物質(zhì)應該是碳纖維制品，因為碳纖維制成的光帆 厚度可以只有幾微米，而且這種材料也是少數(shù)幾種能夠承受來自太陽的熱和輻射的材料之一。,兩種基本光帆系統(tǒng),俄亥俄州Sandusky的一個美國宇航局研究中心中，四片組合在一起的太陽帆正靜靜地安放在一個直徑100英尺的真空室內(nèi),太陽帆制造者加州Able Engineering在弗吉尼亞州展

4、開過一個單片的三角形帆,光帆的優(yōu)勢,光帆最大的好處是它們有免費的推進系統(tǒng)，既不需要發(fā)動機，也不需要燃料，節(jié)省了大量的重量，而且可以長期加速，這兩者 結合意味著它最終能達到很高的速度。在距離太陽1個天文單位的距離（也就是地球附近），陽光的壓力是每平方千米9牛頓，對比起來，航天飛機的推力是要以百 萬牛頓來計算。但航天飛機很快就把它的燃料用光，由于這個原因，傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機的極限大概是每小時3萬英里左右，想再快的話，就必須利用行星的引力來加 速。而不用燃料，能夠長期加速的光帆飛行器要最終加速到每小時20萬英里并不難。也就是說從長期看，光帆一定是更快的，更節(jié)省時間，這對于行星際航行，尤 其是恒星際航行

5、來說是非常重要的。我們可以用它來完成恒星際的先驅(qū)航行任務.,光帆的缺陷,第一個是激光和微波指向裝置必須非常精確，而且隨著距離越遠，難度越大； 第二個是飛船只能攜帶很少的有效載荷； 第三個，也是最嚴重的問題是，這樣的距離無法和地球這里及時聯(lián)絡，如果遇到什么情況，需要地球這里進行調(diào)整的話，根本無法進行。比如，當飛船距離基地 只有2光年的距離時，就需要四年多才能調(diào)整，其中兩年用于無線電波返回基地，兩年多（因為要加上這4年中飛船又走的距離）用于調(diào)整后的激光到達并產(chǎn)生效 果。,Cosmos-1 宇宙一號,宇宙一號是由美國民間組織行星協(xié)會與宇宙工作室聯(lián)合研制第一艘太陽帆船。曾于2001年進行過一次亞軌道飛

6、行，但以失敗告終。歷時三年后，新一代的宇宙一號終于浴火重生。仍然起名為宇宙一號。定于2005年6月發(fā)射。 宇宙1號”重約100公斤，主體由8片15米長、三角形的聚酯薄膜太陽能板構成。抵達軌道后，“宇宙1號”會將這個“太陽帆”伸展開來，覆蓋面積達600平方米。太陽光首先落在帆的鏡子表面，然后反射，并產(chǎn)生壓力，在宇宙完全真空的狀況下，這種微小的壓力能成為驅(qū)動“宇宙1號”的動力，使它每一秒都獲得加速度。同時，地面控制室可以遙控轉換帆的角度，靈活控制“宇宙1號”的運行方向。 如果這次試驗能夠成功，它將為開發(fā)新型宇宙發(fā)動機方向邁出重要一步，可以相信，人類未來完全可以利用太陽帆從事深空探索，并給人類的太空

7、旅行帶來一場新的革命。因此，“宇宙一號”的命運不僅關系到未來星際航行中能源系統(tǒng)的建設，也將關系到人們對研制開發(fā)太陽帆的態(tài)度。,整裝待發(fā)的宇宙一號,宇宙一號展開假想圖,Cosmos-1 項目人員合影,宇宙一號的發(fā)射,“宇宙一號”太陽帆飛船，以潛艇水下發(fā)射的獨特形式開始它的航程。在發(fā)射前的三四星期，該飛船就已被帶到了俄羅斯摩爾曼斯克市附近的瑟沃摩爾斯克（Severmorsk）海軍基地，在之后的幾星期，經(jīng)過對光帆的檢測和電池等設備的安裝和充電后，飛船被安置在由SSN18洲際彈道導彈改進的三級“波浪”火箭（Volna）的彈頭部，隨后火箭被運到一艘俄羅斯核潛艇上，在距發(fā)射時間半天的時候被送往巴倫支海進行

8、發(fā)射。如果發(fā)射成功，“宇宙一號”將最終進入800公里高的地球近地軌道，這將使其成為第一個真正進入地球軌道的光帆飛船。,載有宇宙一號的火箭正在裝入核潛艇,宇宙一號的失敗,。 北京時間22日凌晨，俄“波浪”運載火箭攜帶俄美合作開發(fā)的“宇宙一號”飛船從位于巴倫支海域的一艘潛艇上發(fā)射升空。在發(fā)射后的第83秒，第一級運載火箭的發(fā)動機自發(fā)性停止工作，從而導致發(fā)射失敗。 但數(shù)小時后，主持這一項目的美國行星學會發(fā)布聲明說，地面測控人員在俄羅斯堪察加半島、太平洋馬紹爾群島和捷克共和國的測控站都收到了微弱的遙測信號。美國控制人員說，這表明“宇宙一號”飛船確實已進入了圍繞地球的軌道，雖然軌道并非他們所預設的，但他們

9、確信飛船“還活著”。 不過俄羅斯專家針對上述說法予以了間接的否定。專家稱，地面站記錄的一些信號未必與飛船有關，“根據(jù)現(xiàn)有的遙測數(shù)據(jù)，幾乎可以肯定地說，衛(wèi)星丟失了”?；鸺惋w船可能墜落在俄新地島。,專家擔心人類第一艘太陽帆飛船分離失敗。,科學家描述最后一次接到“宇宙一號”信號的地點。,失敗后的反思,這次失敗是由于飛船載體出了問題，而不在于飛船本身。另人遺憾的是這次實驗并沒有驗證光帆在實際環(huán)境中的可行性。究其原因還是經(jīng)費太少，使得工作人員在選擇發(fā)射設備時不得不節(jié)儉到了危險的地步。但值得欣慰的是科學家們在這三年的努力中積累了大量的經(jīng)驗，項目負責人已經(jīng)在計劃著另一次發(fā)射。讓我們預祝他們的成功。 正如一味科學家說的那樣，通往外星球的道路是充滿坎坷的。,光帆的運用前景,研制宇宙一號的一部分目的就是引起其他航天機構的注意，從這一點來說，他們的目的已經(jīng)達到了。今天，NASA已經(jīng)在光帆領域取得了長足的進步，右圖是一個實驗中的有足球場大小的光帆。 光帆的運用前景十分廣闊，相信在不遠的將來，飛往冥王星的探測器就將由光帆驅(qū)動，此外光帆在全球通信領域也有著無可比擬的優(yōu)勢，未來，懸浮于北極上空的光帆將為地球通訊的死角提供十分重要的連接。,飛向半人馬座,宇宙一號的失敗并不能放慢人們開發(fā)光帆的腳步。今天，人類已經(jīng)計劃飛往火星，但是，想實