英国帝国理工研究：太阳帆10-20年内可达太阳系边缘

2026-06-01 11:56

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维度网讯，伦敦帝国理工学院工程师德布杜特·森古普塔（Debdut Sengupta）及其同事的一项研究发现，太阳帆技术可以在未来10到20年内将宇宙飞船送达太阳系边缘。

太阳帆是巨大而纤薄的专用材料薄片，设计用于利用光子的压力推动宇宙飞船。与借助风力的传统船帆不同，太阳帆是利用光压实现推进。目前，全球只有少数几次概念验证飞行（包括一次金星飞行）、实验室实验和模拟，以及一些雄心勃勃的任务概念。行星学会（The Planetary Society）的LightSail 2号（2019年发射）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的Ikaros（伊卡洛斯）太阳帆（2010年飞抵金星）等任务已证明光帆推进的基本原理可行。

森古普塔及其同事从三个拟议的光帆任务入手，评估了各任务所需技术组件的就绪程度。这三个任务分别是突破摄星（Breakthrough Starshot）、斯瓦罗格计划（Project Svarog）和太阳巡洋舰（Solar Cruiser）。其中，突破摄星是一个光帆项目，计划依靠200吉瓦激光器的光子而非阳光推进，该项目自2025年底起被搁置。斯瓦罗格是伦敦帝国理工学院学生主导的项目，计划进行太阳俯冲以获得速度爆发，从而将太阳帆探测器发送至距太阳90亿英里（145亿公里）的太阳风层顶（heliopause），该团队于2024年底从高空气球部署了一个测试帆，森古普塔将其描述为“部分成功”。太阳巡洋舰是NASA马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）的项目，计划利用40米宽的帆在拉格朗日L1点附近保持位置以观察太阳，该项目于2023年被终止。

研究指出，现代最先进技术仍落后于执行某些拟议太阳帆任务所需的技术，特别是在防止帆在光子轰击下过热、为数十米宽的帆提供轻巧但坚固的支撑结构以及在太空中部署整个装置方面。然而，弥合这些差距所需的努力表明，其中一些任务比预想的更接近现实。

森古普塔的研究认为，在未来5到10年内，轻型航天器或许能够在太阳系内部区域航行以研究太阳本身。这类任务可利用太阳帆的主要优势：仅通过利用光子的压力进行机动而无需推进器或燃料。行星学会首席科学家兼LightSail项目经理布鲁斯·贝茨（Bruce Betts）指出，能够利用太阳帆优势的一个任务是太阳风暴预警任务，它将利用太阳的恒定光压在地球和太阳之间维持不稳定轨道，提供更早的太阳风暴预警。加州大学洛杉矶分校航空航天工程师阿图尔·达沃扬（Artur Davoyan）补充说，掠日太阳帆可将航天器送入绕太阳两极的轨道，从其他方式不可能的角度研究太阳，所需推进剂超过当今火箭运载能力，唯一可行方法就是使用太阳帆。

根据森古普塔及其同事的说法，像太阳巡洋舰或空间天气站这样的任务在技术上已可行。森古普塔表示，太阳巡洋舰可以发射，问题在于反作用轮需适应太阳帆的复杂动力学。这类日球物理学任务是Ikaros任务（2010年底展开14平方米帆飞越金星）之后合乎逻辑的下一步，可测试太阳帆的许多重大问题，如部署系统和姿态控制。

对于更远的任务，如斯瓦罗格和SunVane多帆概念任务，它们通过太阳俯冲获得速度后航行到太阳系外。达沃扬及其同事研究的极端太阳帆概念涉及在距太阳表面200万到430万英里（350万到700万公里）处掠过，作为比较，NASA的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）最近距离约为370万英里（600万公里）。如果航天器幸存，它将以创纪录时间到达外行星、太阳风层顶甚至太阳引力透镜焦点。达沃扬计算，这样的任务可加速到每年约50天文单位（AU，地球到太阳距离约9300万英里即1.49亿公里），而旅行者1号速度是每年3.6天文单位。这意味着可在不到一年内越过海王星，三年内超越旅行者1号。权衡在于：速度越快，俯冲越近，帆需防止过热。达沃扬的实验室研究氮化硅和氮化钛等耐热材料，旨在制造能承受约1000摄氏度温度的帆，目前最佳材料可在距太阳约半个天文单位范围内承受高温。若接受较低速度，在距太阳表面20到25个太阳半径（约860万到1180万英里，即1400万到1900万公里）处经过，最高速度可达每年5到8天文单位，仍略快于旅行者1号，且热量更易管理。

达沃扬认为，这类任务可在5年内建成，10年内可能有更极端的任务。森古普塔表示，斯瓦罗格计划应在未来10到20年内发射。

热管理之外，远程太阳帆任务还需足够大的帆。帆越大，吊杆越长，挑战越大。贝茨将之比作将卷尺展开很长距离而不弯曲。工程师需设计轻且足够坚固的吊杆，使装置能从紧凑航天器中展开且质量尽可能轻。达沃扬强调在保持帆面积最大的同时最小化质量。NASA太阳引力透镜团队成员维克托·托特（Viktor Toth）对在航天器中装载足够装备以执行深空远程任务表示怀疑，指出深空任务需核动力和大型通信设备。达沃扬则提供超轻型可展开天线等选项，认为这些都是可解决的挑战。托特对更近家园的太阳帆航行更乐观，尤其是若太阳能电池可集成到帆材料中。