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太阳帆船之光子推进初探

已有 3809 次阅读 2016-12-12 14:40 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

记得中国载人航天进行第一次太空行走时,宇航员开始打不开舱门,费了很大劲才成功。后来回到地面,谈起这个问题,宇航员说可能是因为光压。我当时觉得宇航员似乎缺乏基本物理数值概念,但是也没有去算。现在看看。太阳光单位时间发出能量为 J,日地距离为 D,阳光垂直照在地面每平方米的最大光压(假设完全反射)为:


$F = \frac{2J}{4 \pi D^2 c}= 9.45 \times 10^{-6} (N)$


才相当于百万分之一公斤。所以,神舟飞船那个舱门上的光压还不如一只蚊子的力大。

突然想到一个问题,如果用一个巨大的反光帆 (solar sail) 通过反射阳光获得动力,需要多大的阳帆呢?


太阳帆的原理很简单,就是镀上金属的薄膜,把入射的光完全反射回去。入射光的动量为 p, 反射光的动量为 -p, 传递给光帆的动量为 2p (飞船速度远小于光速)。飞船质量为 m,速度为 v , 光帆面积为 A,距太阳距离为 d, 太阳光单位时间发出能量为 J,太阳质量为 M。我们列出简单的动量守恒方程。


$m\ dv = 2 \frac{J A}{4\pi d^2c} dt - G \frac{m \ M}{d^2} dt$

也就是

$\frac{dv}{dt} = \left( 2 \frac{J A}{4\pi c\ m} - G \ M \right) \frac{1}{d^2}$


可见,太阳帆力与引力类似,都是平方反比,只是方向不同。对上面方程积分。


$v^2 = v_0^2 + 2 \left( 2 \frac{J A}{4\pi c\ m} - G \ M \right) (\frac{1}{d_0} - \frac{1}{d})$


因此飞船的最终速度为(d无穷)

$v^2 = v_0^2 + 2 \frac{GM}{d_0} \left( \frac{J A}{2\pi c\ m GM} - 1\right)$


假设我们需要光子帆力为引力的两倍, 则阳帆面积A必须大于

$A > \frac{4\pi c\ m GM }{J}$


现在我们代入数字看看,太阳能量输出为 3.86 10^26 瓦,太阳质量为 1.9 x 10^30 kg, 假设飞船质量为10吨,我们算出


$A= 1.295 \times 10^7$ 平方米


也就是 13 平方公里。

由此可见,太阳帆需要若干平方公里的面积才能获得可观的推力。




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