微小的探测器可以在低功率激光的帮助下航行到外行星

　　江苏激光联盟导读：
　　激光助力外太空航行。
　　在这幅图中，地球上的低功率激光（红锥）可以用来改变小探测器（灰圈）的轨道（红线），或将其快速推进到海王星或更远的地方。
　　太空旅行可能非常缓慢：例如，新视野号探测器花了近10年的时间才到达冥王星。前往比邻星半人马座b，距离地球最近的宜居行星，即使是最大的火箭也需要数千年的时间。现在，研究人员在ACS的NanoLetters中计算出，地球上的低功率激光器可以发射和操纵配备硅或氮化硼帆的小型探测器，将它们推向比火箭发动机快得多的速度。
　　地球轨道机动和快凌日行星际任务激光航行示意图。这里有一束激光1兆瓦功率推动晶圆规模（10厘米）光帆。由激光推进驱动，这种航天器可以执行高能量轨道机动，需要非常大的速度增益v。示意图显示了这类机动的两个示例（不按比例）：在低地球轨道上的倾角变化，以及到海王星及其外的快速过境飞行。
　　激光帆不会像船上的帆那样捕捉风，而是捕捉激光束，原则上可以将航天器推到接近光速的水平。科学家们已经研究这个概念一段时间了。例如，一个名为突破星空计划（BreakthroughStarshot）的私人资助项目旨在向ProximaCentaurib发送一个重约一克的小型航行探测器，飞行时间仅为20年。它将通过100GW，千平方英寸的激光阵列推动到光速的20。HoTingTung和ArturDavoyan想知道，更低功耗，更小的激光阵列是否可以在现在使用传统电动和化学火箭的应用中使用。有朝一日，激光器可能能够在发射后调整卫星的轨道，或者在行星际或星际任务中推进微小的航行探测器，而无需大量燃料。
　　激光航行与化学和电力推进的比较。（a）在太空中，电子和化学发动机以及激光航行在发射后获得了速度增益。（b）对于每航天器总质量的两个不同激光功率值，速度增益随照明时间的变化。虚线表示执行相应轨道机动所需的速度增益。（c，d）计算了从LEO到GEO的轨道转移，分别为1MWg和10kWg。（e，f）分别计算了1MWg和34kWg的90倾角变化机动。在（c）（f）中，突出显示的轨迹部分表示主动激光推进的阶段。
　　研究人员进行了计算，表明即使是功率约为100千瓦和阵列尺寸约为一米的激光器，也可以以远远超过当前记录的速度为1克探头供电，只需几分钟到几小时的激光照明。根据他们的计算，激光器可以在一天内在不同的地球轨道之间操纵小型探测器，这在当前的电气和化学火箭中是不可能的。该团队确定，激光帆的最佳材料是纳米级结构的氮化硅和氮化硼，这种材料允许高反射率和快速冷却。最后，研究人员计算出，这些微小的激光推进探测器可以以足够快的速度逃离太阳系，达到比新视野号探测器高5倍的速度。研究人员说，这些由低功率激光驱动的原型航行航天器可以为快速太空探索和未来的星际飞行铺平道路。
　　轻航，快速星际探索。（a）行星际机动示意图（非按比例）。以LEO为起点，将光帆插入双曲的地球逃逸轨道上。（b）随激光功率和加速度距离的双曲线超速度vinf。（c）根据vinf值计算到太阳系不同行星的飞行时间。这里的阴影带对应的可能的行星方向（即相位）相对于地球
　　来源：LowPowerLaserSailingforFastTransitSpaceFlight，NanoLetters，10。1021acs。nanolett。1c04188
　　江苏激光联盟陈长军原创作品！