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太阳帆船之光子推进初探

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:

 

 

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。

 

也就是

 

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。

 


因此飞船的最终速度为(d无穷)

 

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
 

 

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

 

 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。
Tags: 责任编辑:新天网
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