前所未有的太空探索計劃 「突破攝星」的前沿技術

　　阿爾法星繫上的「三顆太陽」。資料圖片

　　美國地面試驗的太陽帆。資料圖片

　　斯蒂芬·霍金與尤·米爾納發布「突破攝星」計劃。CFP

　　英國著名物理學家斯蒂芬·霍金同俄羅斯商人尤·米爾納近日宣布啟動「突破攝星」計劃，其目標是在我們這一代人的有生之年，抵達距離地球約4.37光年遠的半人馬座阿爾法星。這一計劃將研發出質量為幾克重、郵票大小的「納米探測器」，製造成本僅相當於一部蘋果手機。這是人類歷史上前所未有的太空探索計劃，需要解決先進空間推進和探測器輕量化等星際航行中的重大前沿科技問題，只有這些問題解決了，尋找適合人類生存星球的視野才能放寬到太陽系外。

　　納米探測器20年飛抵4.37光年之處

　　英國著名物理學家斯蒂芬·霍金同俄羅斯商人尤·米爾納近日宣布了「突破攝星」的計劃。所謂「突破攝星」，就是要研發出一種質量為幾克重、郵票大小的「納米探測器」，米爾納在發布會上展示了「星芯」的成品原件，該晶元僅有兩三厘米見方、幾克重，但集成了攝像機、光子推進器、導航和傳輸部件，是具有完整深空探測功能的飛行器，而製造成本僅相當於一部蘋果手機。

　　這個晶元會安裝上名為「光帆」的超材料布篷，通過地面發射高能激光助力推進，為這些納米探測器加速至五分之一光速，這些探測器將用20年左右的時間到達離人類最近的恆星系——「半人馬座阿爾法星系」，距離地球約4.37光年，並在那裡拍攝照片、採集科學數據，把相關信息通過激光傳回地球。把尋找宜居星球的目標定為半人馬座阿爾法星系，是因為那裡有可能存在類地行星，而半人馬座阿爾法星系是距離太陽系最近的恆星系之一，現有最快的宇宙飛船飛到那裡也需花費3萬年時間。

　　「突破攝星」計劃是人類歷史上前所未有的太空探索計劃。從項目網站公布的信息可以得知：它的任務目標是在我們這一代人的有生之年，抵達半人馬座阿爾法星，其核心是納米探測器和地面激光推進裝置。納米探測器包含星芯和光帆兩個主要部分，其中星芯包括相機、光子推動器、動力供應系統、導航和通信設備，屬於微型完整的空間探測器，總重量是幾克至幾十克。光帆只有幾百層原子的厚度，質量也為幾克至幾十克。激光推進裝置由若干激光陣列構成，每次發射需要產生和存儲的能量，大約相當於幾百萬度（千瓦時）的電量（指從進入地球低軌道太陽帆展開後到加速至1/5光速的能量）。

　　通過任務描述，整個項目的實施過程大致如下：

　　①在高海拔的乾燥地區，建立陸基的、範圍為幾公里的激光相控陣列，中國的西藏高原是備選發射地之一；

　　②每次發射時需要產生和存儲的能量大約相當於幾百萬度電量；

　　③發射搭載幾千個納米探測器的衛星飛到高緯度的近地軌道上；

　　④採用自適應光學技術，消除地球大氣層對激光光束的干擾；

　　⑤把激光束聚焦在光帆上，在幾分鐘內把納米探測器加速到五分之一的光速；

　　⑥星際航行有可能遇到星際塵埃損失掉部分納米探測器；

　　⑦剩餘的納米探測器上的激光通信系統將拍攝到的行星圖像和其他科學數據傳回到地球上；

　　⑧利用納米探測器的激光探測裝置收集4光年後的數據。

　　據「突破攝星」項目團隊介紹，這些關鍵要素有些已能實現，其他的則是在合理假設下有可能在近期內實現。這一計劃旨在給科學和太空探索帶來革命性的變化，目前已經獲得1億美元的研究經費。它將在開放、合作的研究環境中進行，發表新成果完全透明，開放獲取，並且是對所有相關領域的專家開放，對公眾開放，大家都可以到項目網站的論壇來貢獻想法。

　　先進空間推進和探測器輕量化

　　結合美國去年公布的《2015年NASA一體化技術路線圖》報告來看這個項目，不難發現其難點主要集中在兩個部分，一是需解決星際航行中的先進空間推進問題，包括定向能和太陽帆兩種推進方式；二是需實現探測器的小型化，包括採用納米材料、結構和製造問題，只有解決這兩個基礎性的前沿科技問題，尋找適應人類生存星球的視野才能放寬到太陽系外。

　　首先來看看先進空間推進技術，先進空間推進技術主要包括定向能推進、太陽帆或阻力帆推進、電帆推進、聚變推進、反物質推進、先進裂變推進等，採用這些技術可以提高空間探索的有效性，提高空間任務的靈活性。這些技術的技術成熟度目前還都不高，大約是2～5級，而能在工程應用驗證成熟後正式服役的技術則應該是達到9級技術成熟度。

　　「突破攝星」中提出的在地面高緯度地區放置範圍幾公里的激光相控陣，通過激光給納米探測器加速至20%光速的技術，就是定向能推進技術。這種技術可以從地基或空基能量站發出激光或微波，射向軌道飛行器，用於其加速。與傳統的化學推進相比，這種技術可使飛行器獲得較大的加速度。這項技術的遠期目標是從地基發射激光實現軌道轉移任務。面臨的技術挑戰包括帶有自適應、實時光學追蹤的大型地面或空間能量源的建設，陶瓷複合材料、冷卻激光技術，推進劑輸送系統及熱交換系統的研製等。

　　這項技術目前的技術成熟度為2，即形成潛在應用和初步的技術單元概念，但尚未驗證的階段。目前美國國內已經完成了小規模試驗驗證，使用10千瓦脈衝激光器可實現230英尺高度自由飛，行星軌道轉移試驗件已經完成。這項技術的研發目標是使用定向能實現微納「立方星」的軌道變更，最短技術成熟時間為5年。

　　「突破攝星」計劃中提到的另一種先進空間推進技術是太陽帆推進技術，是指利用類似於鏡子的大型帆反射太陽光產生推力，帆面採用輕質並具有反射特性的材料製造而成。持續的太陽光壓能夠提供有效主動力，不需要耗費任何推進劑或其他能源，可以執行速度增量大以及工作時間長的深空探測任務。通過研製尺寸更大的太陽帆和能力更強的太陽帆推進系統，可以幫助深空探測開展更多的任務。

　　按照美國2015年的規劃設想，第一代太陽帆需要足夠的速度增量將壽命長達10年的探測器送到地日之間的拉格朗日點L1，將探測器置於地日連線的固定位置上，預計探測器的加速度大於20km/s，在3年時間內用於「日地關係探測器」計划上。

　　第二代太陽帆需要足夠的速度增量將壽命為10年以上的航天器送入0.48個天文單位以遠的以太陽為中心的軌道上，預計探測器的加速度大於30km/s，在2年時間內用於「太陽風探測器」計划上。

　　第三代太陽帆需要足夠的速度增量將「旅行者」一類的航天器送到250個天文單位以遠的位置，要求在20年內發射，預計探測器的加速度大於40km/s，在2年時間內用於「亞軌道探測器」計划上。

　　要達到這樣的要求，需要厚度小於3微米的太陽帆，所需的面積為1600平方米、22500平方米和90000平方米。這些技術挑戰都和太陽帆的規模相關，包括製造、封裝、部署、制導、導航和控制。目前這項技術的成熟度為5，美國已經展開20米×20米地面系統驗證，3微米厚度，預計在2至3年時間內技術成熟度可達到7，即可在地面或空間環境下演示使用環境下的性能。

　　納米材料可減輕太陽帆質量

　　《2015年NASA一體化技術路線圖》報告指出，美國在納米材料和納米製造方面的最新進展可減輕太陽帆質量，提高耐久性。例如，靜電紡絲被證實可用來生產超輕膜的低密度納米級纖維氈，以取代太陽帆所用的傳統聚合物膜。靜電紡絲結合自適性納米複合材料可用於轉向太陽帆的開發。這項技術有望在5年內使技術成熟度從3提高到6。

　　星際航行是人類的夢想，雖然實現這一夢想面臨著眾多的技術障礙，但霍金稱：「夢想實現的速度可能比我們想像的要快得多。」結合目前的研究情況來看，紮實的基礎研究功底加上大膽的科學任務設計，以及充足科研資金支持和開放的科研創新環境，一切夢想皆有可能。突破攝星計劃的目的地，半人馬座阿爾法星系是一個擁有三顆恆星的系統，也許在我們的有生之年，真的能看到阿爾法星繫上「三顆太陽」的壯觀景象。

　　（果琳麗，作者為中國空間技術研究院載人航天總體部研究員）