LightSail 2
似乎终于摆脱了前辈们一连串的坏运,这次从发射、展开、一直到轨道实验,一切圆满顺利。就在稍早,Planetary
Society 确认了 LightSail 2
已经利用太阳风为「推力」,顺利地提高了自己的轨道,成为首个在地球轨道上利用太阳帆进行变轨的卫星(日本的
IKAROS 是第一个利用太阳帆推进的探测器,但那是在前往金星的半路上)。目前
LightSail 2
团队将花一个月的时间继续抬高其轨道,一方面更新软件提供更精准的控制、另一方面则是熟悉太阳帆的特性并累积操纵经验和技巧。在实验完毕后,LightSail
2
大约会花一年的时间缓缓离轨,最后坠回大气当中。能在地球轨道上进行小卫星的轨道控制,有着划时代的意义。这意味着小卫星不再需要浪费宝贵的空间来搭载燃料和推进器,来保持轨道高度,而是只要展开太阳帆,就能长时间待在太空。这同时也是「众筹」的一次胜利,很难得地由众筹的计划完成如此尖端的实验。Planetary
Society
预计将这次实验所获得的资料与经验,分享给其他准备使用太阳帆为动力的计划,像是
NASA 的 NEA
Scout。或许这会是太阳帆大量出现在小卫星上的开始呢。关注“新海外”
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新普京手机电子网站 1

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7月31日消息,从美国佛罗里达州发射的一颗卫星在一种新型太阳能推进装置的早期测试中成功地展开了“太阳帆”。据悉,这项技术是驱动小型卫星的可行方法,能大大降低空间探索的成本。

原创:牧夫天文

The Lightsail 2任务是美国Planetary
Society开发的一个众筹项目,太阳帆利用太阳光进行推进:不是吸收光子发电,而是由帆反射光粒子,形成的动力用于在真空中推动卫星。

原创:王茸

该太阳能于2019年6月进入太空之旅,前不久,planetary
society将其照片首次展出。LightSail
2项目经理表示,太阳帆的成功部署和对帆控制的成功完成了我们关键的发射后阶段,现在我们已做好迎接太阳帆的准备,进一步研究追踪轨道如何变化并评估太阳帆的性能。”

校对:王婧彧 杨伯顺

行星协会表示,LightSail
2已经将其部分轨道提升了大约1.7公里,而且这种变化“只能归因于太阳帆。”“我们很高兴宣布LightSail
2任务的成功,”LightSail项目经理兼行星协会首席科学家Bruce
Betts在一份声明中表示。

美编:崔郁

这个演示正是LightSail任务所要证明的。倡导太空旅行和太空项目资金的行星协会为LightSail任务提供众筹资金,表明这种小型卫星可以单独靠光线在太空中推进。光粒子没有质量,但它们带有动量。而这种光实际上可以推动太空中的物体。通过大而薄的反射帆,航天器可以从太阳的光线中捕获足够的这种动量并改变其位置。

后台:库特莉亚芙卡 李子琦

行星协会首席执行官Bill Nye在一次新闻发布会上表示,“你可以驾驶宇宙飞船 –
你可以在太空中获得推进力 –
除了光子之外的其他任何东西都是令人惊讶的。对我来说,你在阳光下航行是非常浪漫的。”

6月25日,
现实版钢铁侠马斯克先生的SpaceX又出了奇招。“猎鹰”重型火箭第三次成功发射,而且还是首次在夜间发射。本次猎鹰发射可谓是乘客众多,熙熙攘攘,服务群体既满足了官需,又补给了民用,还照顾到了NGO。

官需是指美国空军的太空实验计划2以及NASA的深空原子钟,
补给了民用是指此次发射还拓宽了人类殡葬业务的疆界,携带了Celestis公司152名客户的少量骨灰,切实实现了“宇宙这么大,带你的骨灰去看看”的承诺,可谓“骨灰的一小步,葬礼行业的一大步”。照顾到了的NGO指的就是本文的主角,非营利组织行星协会设计的光帆2号(LightSail
2)太阳帆实验飞船。

太阳帆技术(Solar
Sailing)主要指的是利用太阳光压持续推进航天器的技术,从而使航天器无需携带大量燃料也可以在轨道中运行并顺利完成科学任务。与此相关的刚柔耦合以及姿态控制,也是近些年来研究太阳帆技术的热点。由于推力太小,这类航天器无法从地面起飞,需要搭载火箭进入太空。但太空中并不存在空气阻力,太阳光压所产生的小小推力仍然能为太阳帆提供动能。目前地球轨道的太阳帆已经过测试,未来在更远的空间以及星际间的测试也并非遥遥无期。

太空中的太空“帆船”并不是全新的想法。2010年,一艘名为IKAROS的日本宇宙飞船在前往金星的途中使用了一艘轻帆在太空中推进。然而,行星协会想要证明同样的技术可以用于较小的卫星,特别是CubeSat卫星。对于希望使用易于构建的相对便宜的航天器从太空收集数据的公司、研究人员和更多人来说,CubeSats已经成为一个很好的工具。

Ikaros: 前行者伊卡洛斯

通过太空操纵像这样的小型卫星很困难。大多数卫星必须依靠推进器进行移动 –
微型发动机燃烧化学推进剂以推动航天器在太空中前行。这对航天器来说可能是一个昂贵的补充,这些推进器所需的推进剂增加了重量,这在从地球上发射物体时是很宝贵的。大多数时候,像CubeSat这样的小型卫星无法容纳推进器,一旦到达太空就无法操纵。

伟大的天文学家开普勒在17世纪初就已经发现彗尾总是背向太阳,推断太阳光压可能和此相关。通过光压推进的航天器一般都需要一面巨大的帆,此帆需要由轻薄且可反射的材料制作。本文的主角——“光帆2号”,并不是唯一的可能成功论证光帆动力的航天器飞船。2005年时,行星学会就主导发射过全球第一个太阳帆航天器”宇宙1号”
(Cosmos 1),但由于火箭故障未能进入轨道。2010年,日本的伊卡洛斯(Ikaros)
成功展示了太阳帆技术。

现在,行星协会已经证明,这种可展开的太阳帆可以在未来添加到CubeSat中,为这些迷你探测器提供了一个选项,可以在不使用传统化学推进剂的情况下穿越太空。“我们有一个非常小的航天器,它具有非常高的性能,非常有能力的太阳帆,”Nye说道。Nye表示,它的成本为700万美元

大约是该组织用平均尺寸航天器完成此任务的成本的二十分之一。该组织表示,它将分享从该任务中收到的数据,以便其他组织可能在未来使用该技术。

与此同时,行星协会将在下个月继续使用LightSail
2进行试验。普渡大学LightSail 2项目经理兼副教授David
Spencer在新闻发布会上说道:“我们希望在8月底之前继续提高轨道。”
最终,LightSail
2将被拖入地球的大气层。该航天器处于我们行星周围的椭圆轨道上,每当它在一侧提升它的轨道时,它就会在另一侧靠近地球。很快,LightSail
2将被拖入稀薄的大气层,并
将在重新进入时燃烧。但至少在此之前它会进行一些航行。

一般来说,卫星与地球的控制中心取得联系不是什么特别值得一提的事,但放在厄运缠身的非营利组织
The Planetary Society 身上,差不多任何好消息都值得庆祝了。The Planetary
Society 试图集资在太空试验太阳帆已经有颇长远的历史,可以一路追溯到 2005
年的 Cosmos 1 卫星,但 Cosmos-1
连抵达太空的机会都没有,就因为俄罗斯火箭的故障而坠毁于海中。

第二次尝试是小号的立方卫星 Nanosail-D,选择搭乘当时还未有发射成功记录的
Falcon 1 火箭。不幸的是,这次的 Falcon 1
任务由于第一级火箭「追撞」到分离后的第二级,使得发射任务失败,Nanosail-D
也随之坠回海中。第三次尝试是 Nanosail-D 的备品,取名
Nanosail-D2,这次发射倒是一切顺利,然而搭载 Nanosail-D
的卫在释放时因为不明原因弹出机构失效,使用 Nanosail-D2
卡在搭便车的卫星里。之后虽然又莫名其妙地被放了出来,也与地面取得联系,但此时电池电力已经所剩无几,也就无法进行原定的试验了。第四次尝试是
2015 年的

Lightsail-1,这次发射没问题、卫星释放也没问题,但因为疑似电池故障,地面无法与卫星取得稳定的联系,最后虽然勉强成功展开了太阳帆,但也就仅此而已,无法操纵它了。由此就不难理解,为什么单单只是顺利与卫星取得联系,就能让
The Planet Society 开心成这样了。

The Lightsail 2或许能为未来的卫星打开一条节省维持轨道所需燃料的方法呢。

日本于2010年发射伊卡洛斯探测器,是世界上第一个利用太阳帆行驶在地外空间的探测器。

(Credit: JAXA)

伊卡洛斯于2010年5月搭乘日本H-2火箭升空,同期乘客里还有著名的“晓”金星探测器(Akatsuki,同样也是历经困难终于在2015年底进入金星轨道)。Ikaros成功展示了光子在撞击到太阳帆后可以产生的效果。诚然,每一个光子能量微小,仅能产生十分微弱的推力,但假以时日,聚沙成塔,这些由每个微小光子产生的推力汇聚在一起便可以推进太阳帆前进。

但伊卡洛斯并不是完全依靠光压推进的航天器,在它那面像风筝一样的帆面上还嵌入了太阳能电池来供电。尽管这次飞行并不指望太阳能电池产生多少电力,更多的是为了之后那些不仅使用光帆,而且利用电池来推进的航天器任务做准备。伊卡洛斯在2010年6月用一种特别的自旋方式展开了自己14米宽的帆面。航天界之前普遍认为自旋展开对技术的要求极高,但日本这次伊卡洛斯的成功展开为航天界在太阳帆自旋展开技术层面的延伸和继续探索展示了巨大的潜力。同年7月,
日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)声称捕获了第一枚光子的推进。

接着,日本的研究人员开始利用太阳光在光帆边缘的不同压力来控制伊卡洛斯的方向。后来的实验结果显示,研究人员可以控制大约90%的光帆角度。从实验角度来看,伊卡洛斯的任务完成得相当出色。

LightSail: 盗火者光帆1号

2015年6月8日,光帆1号成功展开帆面后的历史性一刻。

(Credit: The Planetary Society)

光帆1号于2015年5月20日进入低地球轨道,主要肩负着向人类展示光帆核心系统运作的可行性任务。然而,光帆1号的漫游并非一帆风顺,在成功展开它那面344平方英尺(约32平方米)的帆面前,它就遇到了两次轨道故障。升空两天后光帆1号失联,幸好在一周后重启恢复了与地球的联系,这有可能是飞行控制软件出现问题导致了死机。6月3日扬帆之后,它由于电压故障再度失联,经历了两三天才恢复稳定。由于在地球低轨道进行实验,光帆1号在完成任务后便直接坠入地球大气层。

光帆1号的历程起伏跌宕,坎坷不断,完全体现了航天科学试错、排除困难、再次试错的不懈精神。开创性的贡献,使它成为太阳能航天器界的盗火者。

LightSail 2: 后继者光帆2号

光帆2号遨游地球上空艺术想象图。

(Credit: Josh Spradling/The Planetary Society)

岁月流逝,光帆2号继承前贤之使命与遗志,再次起航。这个立方体卫星(Cubesat)重约5公斤,大约是面包大小。别看个头小,它肩负的任务依然艰巨。这次发射以及后续的研究主要是为了证明光帆是可以推进卫星在太空中运行的有效方法,而且光帆2号希望自己可以成为第一个只依靠太阳光推进在地球轨道运行的航天器。众所周知,燃料又贵又重,要是可以证明这种利用太阳释放光子提供推进动力的技术可行,那也许未来的深空探测任务就不用受制于“贵重”的燃料啦。

2019年6月25日,光帆2号随猎鹰火箭发射升空,7月2日脱离运载火箭Prox-1并向地球发出了第一个信号。该信号发自光帆2号最近展开的无线电天线。据官方人员称,光帆2号已经开始传输状态数据以及摩斯电码形式的信号。光帆小组的研究成员们会对光帆2号进行状态检查,上传轨道信息来帮助它分辨南北西东和自己的位置,然后用那两枚嵌入太阳能板中的广角相机拍一些测试照片。

从这个角度看,展开后的光帆2号很像一块大大的手帕。

(Credit: The Planetary Society)

如果光帆2号顺利通过了73项“健康检查”,本周初,这个小个子会展开它那薄如蝉翼的四面帆,最后达到一个拳击场大小的面积。届时,太阳光将给这个小家伙温柔地一推,之后的一个月里,科研人员将密切关注光帆2号的轨道是否发生位移。

当光帆2号的帆面完全展开后,它就会利用动量轮来调整帆的方向,就像帆船一样利用风和帆来进行转向。迎风航行时,也就是迎着太阳行驶时,光帆会保持一定的倾角,有效利用推力。顺风航行时,也就是背向太阳行驶时,光帆会舒展帆型以适应侧向边缘接触的光子,获取微弱的推力。要想理解光压的微弱程度,大家可以想象为一枚回形针在你手掌上的压强。而这些关于推力、光压以及位移的数据和研究结果将帮助论证光帆在推进航天器方面的可行性。或许未来的某一天,我们真的可以利用太阳光压,漫游宇宙。

如果大家是光帆2号的粉丝,可以浏览 去关注它的状态,
还可以看看它何时会飞掠你的上空,在光污染不严重的区域,有机会裸眼看到光帆2号会是很有乐趣的一件事。

上图就是大家浏览行星学会网站时可以看到的光帆2号轨迹图,
小家伙正要飞掠马达加斯加呢 (北京时间:2019年7月7日 9:06
AM),希望仰望星空的大家也可以发现它,祝福它。

(Credit: The Planetary Society)

人类奔向太空,始终步履不停。大航海时代的精神,穿越地球的海洋区域到达了更高的太空,利用风帆原理在太空里远行的太阳帆,或许昭示着下一代飞船发动机的未来。

参考文献:

  1. LightSail 2 Sends Back 1st Signals from Its Solar-Surfing Test
    Flight, link:

  2. What to Expect When LightSail 2 Launches into Space, link:

  3. Ikaros: First Successful Solar Sail, link:

  4. LightSail Spacecraft Snaps Solar Sail Selfie in Space, link:

  5. Sailing on Sunbeams: Planetary Society’s LightSail 2 to Soar Higher
    Than Space Station, link:

  6. 太阳帆航天器的关键技术 作者:胡海岩 发表于《深空探测学报》 2016年4期

  7. LightSail 2 Healthy as Mission Team Continues Spacecraft
    Checkouts,link:

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号:astronomycn

壮丽与广袤的太阳日冕

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