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                近光速飛行新可能探討:采用光帆技術的航天器,或能借雙黑洞系統提速

                北極蚊子 2019-3-25 16:08

                在 2016 年,理論物理學家霍金曾與以色列裔俄國資本家,億萬富翁 Yuri Milner 共同開啟了一項名為 BreakthroughStarshot 的太陽系外航行技術開發和實踐計劃。該計劃擁有資金1億美元,潛在的航行目標有包括ProximaCentauri(距地球約 4 光年)在內的存在類地行星的星系。

                我們知道,星際航行的主要問題是時間,旅行者一號用了 39 年才飛到太陽系邊緣,而靠我們目前的技術,連去火星最短都要花費大半年(約 150 到 300 天,取決于任務的實際軌道規劃),可以說是完全不具備有效的星際航行能力。

                近日,哥倫比亞大學的天文學家 David Kipping 發表了一篇論文,提出采用光帆設計的航天器在理論上可借黑洞來實現接近光速的航行速度。在論文中,Kipping 使用了一個雙黑洞系統模型,借助在雙黑洞系統內基于光帆技術的動能傳遞,來實現航天器的進階加減速。

                光帆技術

                光帆技術與太陽帆技術(Solar Sailing)的設計原理相同,都是借光子打在航天器所搭載的反光板上時所施加的輻射壓(radiation pressure),來為航天器提供動力。采用太陽帆技術的航天器以太陽所射出的光子為動力源,而采用光帆技術的航天器在設計上則會自帶一個激光發射源以在太陽系外持續航行。

                一般來說,采用光帆技術和太陽帆技術的航天器只需由運載火箭發射升空,在進入預定軌道并展開“帆布”后,便可在不使用化學燃料的情況下通過改變“帆”的朝向來實現加減速和轉向。這對遠距離任務來說十分重要,如此一來,航天器可以在載重中除去其所需攜帶的大部分燃料。

                理論上來說,此類航天器在經過足夠長的加速時間后,都可在太陽系內實現超過化學燃料推進器所能帶來的最大速度;而光帆技術更是可能在太陽系外航行的過程中,通過長時間的持續加速達到約五分之一的光速。

                光帆航天器模擬圖,圖源:planetary.org

                雙洞系統

                雖然光帆技術在理論上已能使航天器加速至接近光速的速度,但實現這一構想所需的航天器載激光發射源的開發才剛剛起步,即使真的有適用設計也會十分昂貴。而 Kipping 所提出的構想恰巧能解決這一問題。

                Kipping 的構想是借雙洞系統中的移動黑洞引力場來為由激光發射器所發射的光子加速。具體來說,由于光子具有可測的靜止質量,我們便可通過將光子朝黑洞附近的預定軌道發射,使光子在借黑洞引力場繞軌道加速“一周”后再打到航天器的“光帆”上,由此讓航天器獲得比激光發射器功率大得多的光子加速效果,借雙黑洞系統實現高效率的大幅加減速。

                圖 | 借黑洞加速的簡化平面軌道圖(圖源:麻省理工科技評論)

                簡單來說,該構想在概念上其實就是目前火星計劃中的航天器借月球軌道進行加速再飛往火星的翻版,只不過這里加速的對象由大型航天器變為了在計算上尤其需要用相對論進行處理的光子(因為光子速度快且質量。。

                Kipping 指出,盡管銀河系內有約 100 億個雙黑洞系統,并不是雙黑洞系統都有能在理論上被用作飛船加減速的合適光子加速軌道,但根據借雙黑洞系統為航天器進行大幅加速的設想在計算上的確可行,因此,雖然實際的光帆航天器目前在設計上還處于起步階段,但光帆技術無疑已經成為了一種在理論上可行且可持續的長途星際航行方式。

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