“突破攝星”計劃1/5光速飛行:遭遇塵埃即會被摧毀

“突破攝星”計劃1/5光速飛行:遭遇塵埃即會被摧毀

“突破攝星”項目是過去十年中提出的最令人激動的科學設想之一。該項目計劃向距地球最近的恆星發射無人太空探測器,目前在世的大多數人在有生之年都能親眼見證。雖然從理論上來說,在對現有技術做適當延伸之後,該設想是可以實現的,但還有大量細節需要驗證,因為有一個問題對於該項目來說可能是致命性的。

先來聽一點好消息:“突破攝星”正在為必需的研究項目提供資金贊助,仔細驗證該項目運用的科學概念。該團隊近日在arXiv網站上發表了一篇論文預印本,詳細地分析了在高速航行時、無人太空探測器能經得住這種長途旅行的概率有多大。總的來說,事情看上去還是很順利的,但分析結果顯示,無人太空探測器還需要在防護罩上再下一點功夫,僅僅是一小粒灰塵,就有可能引發災難性的後果。

該研究團隊由四名天文學家組成,他們關注的是最為基本的問題之一:無人太空探測器的生存機率。 “突破攝星”項目希望能把無人太空探測器加速到光速的20%左右。以這樣的高速飛行時,甚至一個小小的原子都能讓無人太空探測器受到嚴重破壞,如果與灰塵相撞,結果更是災難性的。因此該研究團隊希望能弄清發生這種碰撞的風險究竟有多大。

從地球到最近的恆星之間的空間並非空無一物。早期形成的恆星在宇宙中留下了少量細小的塵埃粒子,各類宇宙活動也產生了很多單個的原子,四處分散在宇宙中。這些粒子會對無人太空探測器造成嚴重的威脅,科學家們對它們分別進行了單獨研究。

如果撞上一個原子,主要的問題不在於碰撞本身,而是撞擊產生的能量會聚積在無人太空探測器中,造成局部過熱,這會帶來兩種後果。如果溫度過高,無人太空探測器所用的材料就會蒸發到太空中;而如果溫度沒那麼高,就會出現局部材料融化,這部分材料重新凝固之後,材料的性狀就會發生改變。

研究人員利用石英(二氧化矽)做了撞擊測試,利用測試中得到的資料,再加上對宇宙中氣體濃度的測量結果,研究人員通過計算,描述了飛行過程中可能遭遇到哪些損傷。研究結果發現,雖然氫原子和氦原子是無人太空探測器可能撞上的最常見的粒子,但質量更重的原子、特別是氧原子、鎂原子和鐵原子等,會對無人太空探測器造成更嚴重的傷害。

塵埃則會帶來另一個問題。如果無人太空探測器撞上了體積較小的塵埃,效果就像同時撞上了很多個氣體原子一樣。因為與撞擊產生的能量相比,把這些原子聯結成一粒塵埃的能量幾乎微不足道,況且構成塵埃的主要是質量較重的原子。但如果塵埃的體積大到一定程度,撞擊產生的能量就足以摧毀無人太空探測器。而且所謂的“大到一定程度”也並沒有多大,研究人員估計,塵埃的直徑只需要達到15微米,就足以毀掉整艘航天飛船了。幸運的是,像這麼大的塵埃粒子是很少見的,撞上的機率大約是1050分之一。

總的來說,研究人員認為,氣體原子對無人太空探測器的影響是很小的,造成的傷害頂多只有0.1毫米深。但塵埃就不一樣了,無人太空探測器撞上塵埃之後,表面可能會有1.5毫米厚的材料蒸發掉,如果材料融化的話,深度更是可能達到10毫米深。而無人太空探測器上的每一點材料都至關重要,因此這會對無人太空探測器造成十分嚴重的傷害。

研究人員提出了幾種可能會降低撞擊風險的方法。最簡單的一種方法是,減小無人太空探測器在前進方向上的橫斷面面積,如將太陽能板折疊起來、藏在防護罩後面等等。無人太空探測器的主體部分也將做成子彈型,以便減少可能會撞上灰塵的區域面積。不過,如果太陽能板需要用來和地球取得聯繫的話,這種方法或許就不可行了。

既然最大的問題是局部過熱,該研究團隊還提出,在無人太空探測器前部增裝一層石墨,以便更高效地分散熱量。研究人員把石墨與石英對比後發現,使用了石墨之後,由撞擊引發的損失可以大大降低。

但研究人員並未解決由撞擊產生的動能改變問題。每一粒塵埃粒子都會讓無人太空探測器上的一小部分材料蒸發到太空中,從而對無人太空探測器產生反作用力,使它的運行方向發生輕微的改變。日積月累,這些撞擊坑會均勻分佈在無人太空探測器的表面,但無人太空探測器的飛行軌跡也會發生一定的變化,這要取決於撞擊分佈的均勻程度,以及經受撞擊的時間。

因此,這些撞擊可能會增加無人太空探測器抵達目標星球的難度。考慮到無人太空探測器上搭載的傳感器品質也許會受到一定限制,要想讓無人太空探測器飛到其它恆星附近,也許並不是一件簡單的事情。

出處:新浪科技

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