[科普中国]-电子帆:铝线中的航天黑科技

《三体》是我国科幻文学的代表作之一，其中描述的星际航行一直是人类的梦想。然而《三体》里的曲率驱动飞船离我们还太远，寻找一种可靠高速可持续的推进系统才是王道，由此也催生了一种超酷的黑科技——电子帆。

不久之前，美国国家航空航天局NASA对外公布了一个非常前卫、非常具有科技感的未来航天飞行器推进系统，该系统由NASA的子机构——马歇尔航天中心主导研发，全称是太阳风顶层静电快速运输系统（Heliopause Electrostatic Rapid Transit System），简称太阳能电子帆推进系统HERTS。单看外形是不是特别有未来科技的感觉？是不是颠覆了你对飞行器的认识？
电子帆的结构组成
电子帆并不像传统意义上的帆面那样完整，作为推进系统的主体部分是一些特别细长的铝线。对，你没看错，那些细长的线就是铝线。当然这不是我们生活中常见的铝线。这些铝线极细极长，直径为1毫米，粗细大概跟一根曲别针差不多，而它又超级长，足足有12.5英里，也就是20千米左右。这个长度是什么概念呢？几乎是219个足球场排在一起的长度。一个电子帆一般会有10-20根铝线组成，成辐射状由中心向四周发散。火箭抵达指定位置后，由中心向两端伸长铝线，由两个小火箭来推进完成铝线群的扇形展开任务。最后使电子帆完成最终的展开形态。

电子帆的动力来源
当然并不是拥有这样电子帆推进系统就能在太空中扬帆起航了。星际航行中最重要的就是推进动力。传统的航天发动机都是需要自带推进剂，这会在火箭总质量中占据很大比例，严重制约着航天器的有效载荷和飞行距离。因而寻求更有效的推进方式一直是科学研究的方向。
科学家们把目光投向了太阳，这个太阳系里的终极能量boss。电子帆就是利用太阳产生的太阳风来推进。与地球上由分子构成的风不同，太阳风是太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流，由质子和电子等粒子构成，而它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似。太阳风的密度是非常稀薄而微不足道的，一般情况下，在地球附近的行星际空间中，每立方厘米有几个到几十个粒子，而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子。然而太阳风刮起来的猛烈劲，却远远胜过地球上的风。太阳风在地球附近的速度一般是每秒350～450千米，最强时能达到800千米/秒。可能单看数字没什么感觉，要知道地球上最猛烈的风就是台风了，12级台风的风速只是每秒32.5米以上，而这样的风速就已经是灾难了。

由于太阳风的稀薄，使得我们对于它并没有什么直观的感知。但是其超高的速度却是电子帆这项黑科技的关键。实际上，之前就有一些科学家试图通过太阳风来进行星际飞行。NASA在2010年成功发射了一颗小型太阳帆动力卫星。同年5月，日本航天局名为IKAROS的太空探测器升空，证明了太阳帆用于星际航行的可能性。而与之前的太阳帆采用船帆效果的极薄金属板并依靠太阳光压推进不同，这个电子帆项目采用的是上面讲到的一根根铝线。这些铝线将会通上正电荷，利用与太阳风中粒子相斥的力，达到为飞船和飞行器提供动力的目的。从理论上说，它不需要任何推进剂，只要有太阳光，它就能飞行，而且飞行速度远超现有的飞行器，预计最高速度可达到每秒400-750公里。
电子帆的高速运动
为了更好的了解电子帆，需要引入一个新的单位。天文学中常用天文单位AU，而不是我们常用的长度单位来表示距离。一个AU指太阳到地球的平均距离，大概在1.496亿千米。由于距离太阳越远太阳风越稀薄，为了保证足够的推力和加速度，电子帆的有效面积会随着航程而增大。在1AU时，有效面积为601平方千米，仅仅比芝加哥市区小一点；而到5AU时有效面积可达1200平方千米，与洛杉矶大小接近。
电子帆的另一个优势就是，其加速距离远超太阳帆。一般太阳帆航程过了5AU，其加速就会因太阳光子能量的消散而停止。而由于持续的粒子流和增大的有效面积，电子帆的加速不会停止，而是会持续到16-20AU的距离。作为第一个到达太阳系边缘的人类飞行器，2010年旅行者号在飞行了35年后完成了任务。而电子帆却可以用12年甚至更短的时间完成这项任务。所以，这项黑科技有可能会颠覆现有的推进技术。

当然，这项技术并没有进入到发射阶段，有关被电线排斥而偏离的质子数量，以及受电线吸引的电子数量仍在马歇尔太空飞行中心测试，等离子体测试也在进行当中，用来修正模型。预计10年内，电子帆就能正式登上航天舞台。其实，不管电子帆的未来如何，人类未来航天方面必将出现颠覆现有科技的爆炸式技术突破，我们在太空中的脚步也会越来越远。只有突破性的想法，才会带来突破性的技术。