杜靜怡

標題:

太陽風動力風帆

發問:

我在BBC太空漫遊中,看到說可用太陽風做動力風帆,做星際旅行,速度可達時速75萬公里,是真的嗎,什麼原理太陽的光可以像風一樣產生吹的動力使風帆移動呢?

最佳解答:

如同帆船可以乘著風前進一樣，太空船也可以乘著光前進。採用此類推進方式之系統被稱為光壓推進系統。電磁波是具有動量的，馬克斯威爾導出的電磁場方程式中便已指出這點。 光的輻射壓效應是目前設計高軌衛星與行星探測船的主要考量因素，因為它造成的力矩會擾動太空船的航道，在一萬哩的高度以上是太空飛行體的主要擾動來源。目前這種形式的光壓動力被用在行星探測船上，但主要是用於姿態修正而非作為推力。比如航海家四號便以改變光壓力矩作為姿態控制。作為主要推力的光壓系統的最簡單概念便是太陽帆，用一塊鏡子放在太空中，它自己就會受到太陽光壓而前進。 太陽帆的製造在技術層面上有些麻煩，因為它必須非常薄，同時面積要非常大。但這並不是完全辦不到的那種困難，而是效率方面會因為技術水準的不足而滑落。太陽帆目前已有成品，前蘇聯曾經在太空站上測試介於太陽帆與大面積反光板之間的產品，另外以光壓為主要動力的太陽帆成品則是民間的一些業餘團體作製造。「世界太空基金會」(World Space Fundation) 與「法國光子動力推進聯盟」(French Union Pour la Promotion de la -Propulsion Photonique)便已於幾年前造出小型光帆航行載具，並希望能在1992年哥倫布發現新大陸五百週年時能讓此太陽帆航向月球。但這些業餘團體無法支付火箭發射費用，同時也沒有其他班次的發射載具能讓他們的產品搭便車，所以至今仍然沒有發射入太空。 單靠太陽光壓的光帆的優點不需要花費任何燃料成本，缺點是推力太低加速過慢，同時遠離太陽的地方光壓會過低。其推力可由以下公式求得： F/A = 2(S/C) 根據經驗太陽能流量（Solar flux）S = (3.1*10^25)/R^2 其中F/A為每平方米的推力值（牛頓），C為光速（3*10^8m/s），S為以瓦計的每平方米能量流束， R為自太陽起算的距離（米）。在距離太陽一個天文單位的距離下，日光功率約為每平方米1400瓦，面積一平方公里的太陽帆約可獲得10牛頓的推力。若是假設此光帆重量為一公噸，則所獲得的加速度僅有約千分之一個 G左右，可用此數據來簡單推估光帆系統的性能讓大家有點概念。同樣我們以標準太空船為計算對象，但將其一萬噸之燃料攜帶量作為其所使用之光帆重量，其計算如下： 假設一平方公里面積的光帆重一噸，則一萬噸的質量空間可裝設一萬平方公里的光帆，再假設太空船由距離太陽一個天文單位的地方出發，即其出發點位於地球繞日軌道上，則每平方公里的光帆獲得推力約為10牛頓，面積10000km^2之光帆獲得之總推力為10000*10=100000牛頓。船體加帆總質量為110000 噸，根據F=m*a之牛頓運動公式計算，太空船之加速度a為： 100000牛頓=110000,000kg * a => a = 0.00091m/s^2 可將其除以9.8m/s^2 換算成等效重力，約為0.000093G，即約為萬分之一個G 的加速度。又由於光壓推力將隨光帆與太陽之距離而下降，這會使計算必須採用積分的方式而使計算過程複雜化，為求簡化，我們僅計算此光帆在前一光秒的距離內的加速度。一個天文單位約等於500 光秒，一光秒距離僅為其五百分之一，故光壓隨距離增加下降的程度可以忽略。在這第一光秒的距離內，太空船可以達到的速度可如此計算： V^2 = V0^2 + 2 * a * s 由於初速V0為零，因此我們只考慮加速度a與距離s此二變數 V^2 = 2 * 0.00091m/s^2 * 300000000m -- 式(a) V^2 = 546000 m^2/s^2 V = 739m/s 再以V = a * t 求出加速時間t。 739m/s = 0.00091m/s^2 * t t = 812088 sec，將這個數字除以86400可以換算成天數，約等於9.4天。 根據以上的計算，標準太空船可以使用一萬平方公里的光帆，在九天半的時間內加速到739m/s的速度，並在這段時間內前進了一光秒的距離（地球到月球的距離約為1.3光秒）。而這個速度大約略為低於於採用NERVA計畫中測試的的固態核心核分裂動力推進系統的標準太空船的最終速度。 當然只要太陽沒有熄滅，光帆船可以繼續加速，但由於遠離太陽時光壓會下降，因而最終有一速度極限，這個極限主要視光帆的性能與其質量佔太空船的比例而定，光帆的性能越高指其越薄，能以更低的重量提供相同的推力。而質量比例越大則代表其加速度越高，極限加速度則由光帆性能而定。加速度極限便是100%光帆零酬載的加速度，此例中極限加速度為千分之一個G 。光帆質量比例越大則太空船加速度會越趨近這個值，但光帆佔越大的比例也代表太空船酬載越小，超過一定程度時增加的速度的利益將會被減少酬載的損失抵銷，因此質量比例有一最佳值，主要改善目標還是會放在光帆性能上。另外一個加速的方法是從更靠近太陽的地方出發，此時可以獲得更高的初期推力因而能有更高的最終速度。 光帆的更進一步運用是用人工主動照射來獲得推力。人工照射可分為以採用聚光照射或是主動發射能量光束兩種。聚光照射即為於近太陽軌道建立反光板陣列群將太陽能聚焦投射到遠處的光帆上，如此可使光帆在相同的距離下獲得比平常更高的能量輸入，或者在更遠的距離減低太陽光散射光壓降低的損失而能夠達成更長的能量輸入距離，兩者都能增加光帆的最終速度。這種方法會稍微增加一些成本，主要是聚光站的建造與維護成本，光帆包含聚光站的能量來源同樣也是免費的。其所增加的速度可以用最簡單的增加推力與加速時間來推估。 例如若從1AU的距離開始出發，若聚光站的照射能讓光帆輸入增加N倍，則推力與加速度亦可增加N倍。另外增加照射時間可將式(a)的加速度經過修正後再乘上秒數而定。若是聚光輸入增為十倍，且能量不衰減距離增為1000光秒的話，則在此段距離內的加速將成為73892m/s，約為73.89km/s 。而照射時間則增加為94天，約三個月。這個速度已經高於任何核分裂動力火箭並接近脈衝核融合火箭能達到的速度了。如果聚焦能力能夠再加強，讓能量不衰減距離能夠再拉長，則此太空船的速度最終將超過運用核融合動力火箭系統的標準太空船。 當然，一切能量源還是免費的，這就是最大的重點。另外需要一提的是增加對光帆的輸入和光帆接收能量不衰減的距離是一體兩面的，只要聚光能力加強兩個都可以加強，但就光帆而言，其輸入是有上限的，過大的輸入會燒毀光帆。因此聚焦能力超過一個限度後（實際上很容易就會超過），便會在光帆船於近距離時將聚焦光線輸出減弱至光帆能夠承受的安全係數內，而光帆遠離時再逐漸增加輸出以彌補距離拉遠時的散射損失，以此來將光帆的推力(即能量輸入)維持在一個定值。 另外聚焦用的太陽能板陣列則沒有燒毀問題，由於不需要長距離高速移動，它可以作的較厚，同時也可以增加面積與數量等來增加輸出。基本上聚光板是沒有性能的限制的。而光帆的能量承受安全係數亦是光帆的性能值的一個重要參數。 主動發射則是由人工放射能量光束進行衝擊推進，這種方法需要付出的成本較高，重點是在建立光束發射站，發射光束來照射光帆使其獲得推力。與純粹的太陽光聚焦站不同的是這種光束發射站可以自由挑選所使用的光束波長，不同於聚焦站只能純粹的聚焦日光。當然，光束發射站的能量來源也可以使用太陽能，如此同樣沒有燃料費的問題，但是在建造與維護成本上顯然會比聚焦站的太陽能反射板高上許多。 光束發射站的一個使用時機是在遠地星球上的運用，比如建立在木星上。太陽能聚焦站必須靠近太陽才行，但是光束發射站卻可以遠離太陽。當然此時就無法運用太陽能而必須使用核融合發電來作為動力來源了。這會使成本增加，不過這是要在遠地行星運用光壓系統所必須付出的代價。 由於可以自由選用光束波長（一般是在建立發射站時就決定波長，可調頻的光束發射站則會在設計時有一波長範圍限制），因而可以控制光束發射天線的面積與光帆的面積，甚至可以控制光帆的重量。這類系統通常有較聚光站有更佳的聚焦能力，因為他能夠調整波長因而能夠照射的更遠而不衰減。但在長距離照射下仍然有一些問題存在。 基本上光帆的能量轉換效率主要有兩個參數影響，一是太空船速度，另一是光線聚焦能力。就光帆而言，光束直徑小於等於帆面直徑時，所有能量直接投在帆面上，此時光線會被反射與吸收。但在太空船速度低時，入射光線以反射為主，而反射產生的能量傳遞效率是很低的。 而太空船速度一旦加到接近光速時，光線與太空船之間的都卜勒效應便會急遽增大，光線由偏向反射變為偏向於吸收，能量傳遞效應就會增加。因此太空船速度越大，能量吸收效率就越高，從接收的能量中所獲得的加速度就越大。但在距離一遠，光束直徑大於光帆的直徑時，能量便不是完全投在光帆上了，此時就會有光束擴散的能量損失。這個損失與太空船與光源距離的平方成正比。而要減少這種損失就必須增加光束的聚焦能力。或者採用暴力法，直接在遠距離時增加輸出以彌補散射的損失。 以上兩點跟聚光站是一樣的，但就第二點而言，由於增加光束發射站輸出的困難度與成本遠較聚光站的純粹增加反射板高，因此就光束發射站而言，採用第二種方法很容易不符合成本，因此仍將以增加光束聚焦能力為主要手段。需注意的是這裡的「能量光束」並非單指可見光範圍的光線而言，而是在長到公分波，毫米波等級的電磁波束到波長極短的硬Ｘ射線光束範圍內，這就是可挑選波長的光束發射站的優勢了。 一般來說，光束波長短則聚焦能力越強，所使用的發射天線面積也就能夠越小。比如若使用硬Ｘ射線這種極短波長的光束，則發射站的天線口徑可能只有數百公尺到數公里。波長一長則天線口徑就會越大。但波長不是越短越好，還需要光帆的配合，光帆是否能夠吸收該波長的光束，或者此種光帆是否能作的很薄很輕，這些都是考量重點。同時短波長不一定保障能縮小天線口徑，因為若是發射能量固定，則口徑越小發射天線表面的能量密度就會越大，甚至有可能大到光束發射瞬間就燒掉發射天線，因此天線口徑還是有下限的。比較可能的是用較長波長的光束，並使用天線陣列群來達成大孔徑的需求。 另外波長一長，帆的重量便有可能降低。因為光線在碰到孔徑比其波長短的金屬網格時會完全反射，跟碰到沒洞的金屬板效果是一樣的。一般家庭的微波爐便是運用這種效應讓人能夠看到加溫中的食物（不過還是建議大家別去看），使用波長較長的微波或是毫米波光束，則便可使用由金屬細絲織成的網狀光帆，如此不需要特別技術便可自然降低光帆重量。也可以在相同的總重量下增大光帆面積。 基本上，聚光站將會被運用在近距離的低速的光帆船上，而光線發射站則會應用於遠距離的高速光帆船之上。就內太陽系運作或是飛向遠地行星任務而言，聚光站是一個相當好的選擇。而在遠地行星飛向內太陽系（這還必須要抵消太陽的光壓）或是往更遠的太陽系外層移動則以光線發射站系統為佳。這兩種系統算是互補的形式，前者應該會建立在水星以內的太陽軌道上，後者則應該會建立在木星上，從木星提取燃料來運作。 光壓推進系統的最大優點是價格，因為其太空船不需要攜帶燃料，燃料費用自然就省下來了。聚光站與光束發射站雖然需要建立與維護成本，後者也可能需要燃料成本，但大量運用下來採用此類推進方式系統在價格上會極具競爭力。即使是需要燃料的光束發射站，若使用相同數量的燃料，其能使太空船增加的速度會高於火箭推進系統所能增加的速度。而這類系統的缺點是其太空船的推力方向會受到限制，且在遠距離時運作效率會低落，比如要在冥王星周邊運作（不是飛向冥王星）效率會降低，其飛行方向垂直於光束時甚至沒有作用，且太空船會有一固定的航道而較難作機動。 聚光式光壓系統的另一個延伸概念，是光帆航線與光帆船團。用大量太陽能光板聚光可以產生一條航線。並不瞄準某艘太空船，而只是對準一個方向造成一條光道。任何有裝帆的太空船只要進入這條光道便可以獲得動力。此種概念將會產生出光帆航線與光帆船團。太空船在進入光帆航線內可以獲得光壓動力，離開後則使用自備的火箭引擎推進。這也是一個節省燃料的方法。

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