融证通捕捉太阳引力透镜所需的激进推进技术

可通过太阳引力透镜捕获的模拟多像素系外行星图像。来源美国国家航空航天局加州理工学院喷气推进实验室斯拉瓦图里舍夫

向太阳引力透镜（SGL）发射任务是直接成像潜在宜居行星及其大气层，甚至可能是其部分城市的最有效方式。但SGL距离我们大约650900天文单位，几乎是旅行者1号目前飞行距离的4倍——而旅行者1号是人类制造的飞得最远的探测器。旅行者1号还需要130多年才能到达SGL，因此显然传统推进方式无法让任何合理大小的航天器在合理时间内到达那里。美国国家航空航天局喷气推进实验室的斯瓦图里舍夫博士是SGL任务最积极的支持者之一，他的一篇新论文详细介绍了可能最终让我们到达那里的不同推进方式——看来如果我们计划在短期内实现这一目标，还有很多工作要做。

首先把这件事说清楚——我们不可能用传统化学火箭，甚至借助大型行星的引力助推，在合理的时间内到达650天文单位的距离。要在20年内到达这个位置，航天器的飞行速度需达到154千米秒，诚然，这比有史以来最快的人造物体的速度稍慢一些。帕克太阳探测器曾达到192千米秒的速度，但那是它在距离太阳仅616万千米的最近点飞行时才实现的。以现有技术，要在20多年的旅程中保持这个速度，甚至达到这个速度，都是不可行的。

但在考虑如何实现这一目标时，太阳或许仍是我们最有力的盟友。图里舍夫博士研究过的一项技术是太阳帆——一种巨大的反射面，利用太阳光推动自身前行。但或许更重要的是，太阳帆可以在靠近太阳并受到最大作用力加速的同时，结合利用太阳光和太阳的引力助推。根据图里舍夫博士的计算，这可以使航天器加速到足以在30年甚至可能20年内完成星际穿越的速度。

弗雷泽与图里舍夫博士讨论了SGL的构想。

不过这其中存在权衡取舍。要实现30年航行到SGL的速度，航天器必须达到0.05天文单位的近日点（即距离太阳最近的点）。这比帕克探测器所达到的距离（惊人的0.04天文单位）稍远一些。但帕克探测器是专门设计来应对近距离接近太阳的情况的。设计出能承受如此近距离太阳能量冲击的薄膜太阳帆，超出了我们目前的工程能力范围。

计算太阳帆的可行性时，还需要考虑另一个因素——重量，或者更具体地说，是密度。太阳帆的实际功率输出并不高，因此携带重型设备并非其最佳应用场景。遗憾的是，在650天文单位的距离上，太阳能量对于望远镜到达后的供电来说基本可以忽略不计，所以它需要自带电源。放射性同位素热发电机或许是这类电源最有可能的选择，但它并不轻便，会极大地干扰这类探测器所能达到的密度水平的计算。

总而言之，太阳帆或许不是最佳选择，不过如果我们能找到办法让它们承受住太阳的辐射轰击，其潜力上可能是最快的。但还有其他具备自身优势的方案。其中一种是核动力电推进（NEP），即利用裂变反应堆为高效电推进器提供动力。这些长燃时发动机速度较慢，但输出稳定；在太空旅行中，这种比冲的提升意义重大。图里舍夫博士计算得出，一艘20吨级、搭载800公斤有效载荷的NEP驱动探测器，能在27到33年间抵达650天文单位处。虽然不如掠日型超轻型太阳帆版本快，但至少完全在单个人类寿命范围内。

弗雷泽讨论了为什么太阳帆如此神奇。

不过，电推进系统（NEP）还有其他优势。一旦它到达太阳引力透镜（SGL）位置，就可以利用剩余的推进剂来校正系统的定位，从而实现位置保持。由于它显然也使用电力，所以还可以利用部分电力为系统供电，以进行实际的观测工作。不过，它的主要缺点是热管理。船上的发电机需要一种将废热排放出去的方法，而在太空中，唯一可行的办法是通过辐射冷却。因此，一个电推进系统需要巨大的散热器，而这些散热器可能无法装进单个火箭整流罩。

但或许论文中最有趣的想法实际上是将核电推进（NEP）与另一项核技术——核热推进（NTP）相结合。与核电推进相比，核热推进速度要快得多，它利用核反应堆直接产生的热量快速加热液氢等液体推进剂，并将其喷射出去以产生推力。如果你觉得这听起来很像化学火箭，那你是对的——这也意味着核热推进器受制于火箭方程的限制。在耗尽所有燃料并失去提供额外推力的能力之前，它们只能携带有限的燃料。

但是，由于裂变反应堆是核电推进（NEP）和核热推进（NTP）的相同基础，SGL航天器可以采用混合动力系统。它会在轨道的某些节点使用核热推进，比如在进行所谓的奥伯特机动以获得来自太阳的引力助推时。在利用其动力更强的核热推进发动机达到一定速度后，它会切换到核电推进巡航模式，并利用核电推进高效的离子推进器在数年时间里逐渐加速。

弗雷泽讨论了如何将NEP用于SGL任务。

这样的混合系统有可能使在20年内抵达太阳引力透镜（SGL）的旅程成为可能。但航天器实际到达那里后会发生什么呢？通常情况下，望远镜会停留在某个特定位置，无论是地球静止轨道还是拉格朗日点，并保持该位置，直到停止运行。然而，太阳引力透镜任务在到达遥远的目的地时甚至不会尝试减速。它会沿着太阳引力透镜效应的焦线继续前行，并在继续飞行近300天文单位的过程中持续收集数据，随着飞行不断捕捉更详细的图像。

虽然这能让旅程快得多——因为不必为了保持特定位置而减速，但这也意味着我们只有一次机会对某个特定星球进行成像。太阳引力透镜（SGL）效应的作用原理是，你必须位于太阳与你想要成像的系外行星相对的另一侧，而且我们无法简单调整航线去观测另一个可能在天空完全不同区域的行星。因此，虽然我们仍在研发能将我们送往太阳系中这个惊人之地的推进技术，但值得思考的是，我们需要哪些衡量标准，才能在到达某个行星后相当确定那里有值得观测的有趣事物——否则，整个30年的旅程（不包括所有研发时间）将是一次很棒的科学实践，但无法真正回答我们是否孤独这个问题。

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