太陽帆利用陽光的壓力推動太空船。倫敦帝國學院工程師最近的一項研究表明，這項技術可以在未來幾十年內將載人或無人任務發送到太陽系邊緣。這項工作評估了已經測試的原型的進展以及必要的後續步驟。
這個概念已經存在了幾個世紀。古代船隻利用的是風。在太空中，這個想法將原理應用於光子。幾個任務示範了基本操作。現在研究人員正在測量更遠距離的真正潛力。
任務證明了光推進原理
日本於2010年發射了IKAROS。該航天器到達金星並確認了太陽帆的加速作用。此任務測試了液晶材料和姿態控制。
行星協會於 2019 年發射了 LightSail 2。立方體衛星僅利用太陽壓力改變了其繞地球軌道。該操作持續了三年多，直到 2022 年重新進入大氣層。這些實驗消除了對該技術基本可行性的懷疑。
- IKAROS 展示了 200 平方米帆的星際導航。
- LightSail 2 具有 32 平方米的帆，在近地環境中控制軌道。
- 兩次任務都使用了輕質材料和可折疊支撐結構。
- 測試證實無需化學推進劑即可產生連續加速。
帝國學院研究確定了太陽系邊緣的最後期限
Debdut Sengupta 及其同事發表了對太陽帆現狀的分析。這項工作將現有的情況與到達日球層頂的任務的要求進行了比較。
他們得出的結論是，如果發展足夠，船舶可以在 10 或 20 年內到達太陽系邊緣。重點是更大、更耐熱的帆和改進的控制系統。森古塔認為這些想法是技術性的，但可以透過資金和重點工程來實現。
由帝國學院學生領導的 Svarog 等計畫為星際空間準備了帶有帆的立方體衛星。高度測試和軌道模擬已經進行。目標是將第一個民用物體送出太陽系。
技術挑戰集中在材料和可擴展性上
帆需要很寬但又很輕。光子壓力很弱。因此，表面積必須有效補償。
工程師開發出更能抵抗極端溫度和輻射的薄膜。稱為吊桿的支撐結構必須在真空中展開而不會故障。姿態控制需要精確地引導力量。
- 目前的材料支援演示飛行，但需要升級才能執行長期任務。
- 模擬評估太陽附近的熱應力以獲得速度增益。
- 與薄型太陽能電池板整合可為機載儀器供電。
- 實驗室測試和亞軌道飛行完善了自動部署。
應用範圍從外行星到星際概念
前往木星或土星的任務可以減少旅行時間。蠟燭可以節省大量燃料。這為科學有效載荷釋放了質量。
更雄心勃勃的提案目標是 100 個 AU 或更多。一些人正在研究使用地面或太陽雷射來獲得更大的初始脈衝。森古普塔的研究將當前現實的情況與需要數十年研究的情況區分開來。
載人船舶代表更大的挑戰。輻射防護、補給品和生命維持系統增加了品質。蠟燭仍然提供了一種不完全依賴化學火箭的前進方式。
下一步取決於資金和國際合作
航太機構和私人團體計劃進行更大規模的演示。美國宇航局正在準備諸如太陽巡洋艦之類的任務。大學和公司並行測試組件。
人們的共識是技術發展很快。概念驗證飛行已經存在。下一次飛躍需要完全融入作戰任務。
研究人員強調，現在是有利的時機。輕質材料和計算的進步可以在發射前進行準確的模擬。結果可能為深度勘探開闢更便宜、更永續的路線。