近光速飞行新可能探讨:光帆技术的航天器,或能借双黑洞系统提速

科学
近光速飞行新可能探讨:光帆技术的航天器,或能借双黑洞系统提速
麻省理工科技评论 2019-03-24

2019-03-24

近日,哥伦比亚大学的天文学家 David Kipping 发表了一篇论文,提出采用光帆设计的航天器在理论上可借黑洞来实现接近光速的航行速度。在论文中,Kipping 使用了一个双黑洞系统模型,借助在双黑洞系统内基于光帆技术的动能传递,来实现航天器的进阶加减速。
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近日,哥伦比亚大学的天文学家 David Kipping 发表了一篇论文,提出采用光帆设计的航天器在理论上可借黑洞来实现接近光速的航行速度。在论文中,Kipping 使用了一个双黑洞系统模型,借助在双黑洞系统内基于光帆技术的动能传递,来实现航天器的进阶加减速。

在 2016 年,理论物理学家霍金曾与以色列裔俄国资本家,亿万富翁 Yuri Milner 共同开启了一项名为 BreakthroughStarshot 的太阳系外航行技术开发和实践计划。该计划拥有资金1亿美元,潜在的航行目标有包括ProximaCentauri(距地球约 4 光年)在内的存在类地行星的星系。

我们知道,星际航行的主要问题是时间,旅行者一号用了 39 年才飞到太阳系边缘,而靠我们目前的技术,连去火星最短都要花费大半年(约 150 到 300 天,取决于任务的实际轨道规划),可以说是完全不具备有效的星际航行能力。

近日,哥伦比亚大学的天文学家 David Kipping 发表了一篇论文,提出采用光帆设计的航天器在理论上可借黑洞来实现接近光速的航行速度。在论文中,Kipping 使用了一个双黑洞系统模型,借助在双黑洞系统内基于光帆技术的动能传递,来实现航天器的进阶加减速。

光帆技术

光帆技术与太阳帆技术(Solar Sailing)的设计原理相同,都是借光子打在航天器所搭载的反光板上时所施加的辐射压(radiation pressure),来为航天器提供动力。采用太阳帆技术的航天器以太阳所射出的光子为动力源,而采用光帆技术的航天器在设计上则会自带一个激光发射源以在太阳系外持续航行。

一般来说,采用光帆技术和太阳帆技术的航天器只需由运载火箭发射升空,在进入预定轨道并展开“帆布”后,便可在不使用化学燃料的情况下通过改变“帆”的朝向来实现加减速和转向。这对远距离任务来说十分重要,如此一来,航天器可以在载重中除去其所需携带的大部分燃料。

理论上来说,此类航天器在经过足够长的加速时间后,都可在太阳系内实现超过化学燃料推进器所能带来的最大速度;而光帆技术更是可能在太阳系外航行的过程中,通过长时间的持续加速达到约五分之一的光速。

近光速飞行新可能探讨:光帆技术的航天器,或能借双黑洞系统提速

图|光帆航天器模拟图(图源:planetary.org)

双洞系统

虽然光帆技术在理论上已能使航天器加速至接近光速的速度,但实现这一构想所需的航天器载激光发射源的开发才刚刚起步,即使真的有适用设计也会十分昂贵。而 Kipping 所提出的构想恰巧能解决这一问题。

Kipping 的构想是借双洞系统中的移动黑洞引力场来为由激光发射器所发射的光子加速。具体来说,由于光子具有可测的静止质量,我们便可通过将光子朝黑洞附近的预定轨道发射,使光子在借黑洞引力场绕轨道加速“一周”后再打到航天器的“光帆”上,由此让航天器获得比激光发射器功率大得多的光子加速效果,借双黑洞系统实现高效率的大幅加减速。


近光速飞行新可能探讨:光帆技术的航天器,或能借双黑洞系统提速

图 | 借黑洞加速的简化平面轨道图(图源:麻省理工科技评论)

简单来说,该构想在概念上其实就是目前火星计划中的航天器借月球轨道进行加速再飞往火星的翻版,只不过这里加速的对象由大型航天器变为了在计算上尤其需要用相对论进行处理的光子(因为光子速度快且质量小)。

Kipping 指出,尽管银河系内有约 100 亿个双黑洞系统,并不是双黑洞系统都有能在理论上被用作飞船加减速的合适光子加速轨道,但根据借双黑洞系统为航天器进行大幅加速的设想在计算上的确可行,因此,虽然实际的光帆航天器目前在设计上还处于起步阶段,但光帆技术无疑已经成为了一种在理论上可行且可持续的长途星际航行方式。

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