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編者按：本文作者芷水，來自星際航行
4月12日霍金和米爾納共同宣布啟動“突破攝星”的計劃，這是人類歷史上前所未有的以尋找太陽系外宜居星球為目標的太空探索計劃。
從該項目網(wǎng)站上公布的信息我們可以得知：“突破攝星”計劃的目標任務(wù)是在我們這一代人的有生之年，抵達半人馬座阿爾法星（AlphaCentauri）。核心內(nèi)容是納米探測器（Nanocrafts）和地面激光推進裝置（Light Beamer）。
納米探測器包含星芯（StarChip）和光帆（Lightsail）兩個主要部分。星芯包括相機、光子推動器（photonthruster）、動力供應系統(tǒng)、導航和通訊設(shè)備，屬于微型完整的空間探測器，總重量是幾克乃至幾十克，光帆質(zhì)量為幾克乃至幾十克。激光推進裝置由若干激光陣列構(gòu)成，每次發(fā)射需要產(chǎn)生和存儲的能量，大約相當于幾百萬度（千瓦時）的電量。
通過項目實施網(wǎng)站的描述，我們認為整個項目的飛行過程如下：
在高海拔的干燥地區(qū)，建立陸基的、范圍為幾公里的激光相控陣列，中國的西藏高原是備選發(fā)射地之一。
每次發(fā)射時需要產(chǎn)生和存儲的能量大約相當于幾百萬度電（gigawatt hours）。
發(fā)射搭載幾千個納米探測器的衛(wèi)星飛到高緯近地軌道上。
采用自適應光學技術(shù)，消除大氣層對激光光束的干擾 。
把激光束聚焦在光帆上，在幾分鐘內(nèi)，把納米探測器加速到五分之一的光速。
星際航行有可能遇到星際塵埃損失掉部分探測器。
用納米探測器上的激光通訊系統(tǒng)將拍攝到的行星圖像和其他科學數(shù)據(jù)傳回到地球上。
利用納米探測器的激光探測裝置收集4光年后的數(shù)據(jù)。
計劃的技術(shù)難點
據(jù)該網(wǎng)站說：所有的關(guān)鍵要素要么是已經(jīng)可以實現(xiàn)的，要么就是在合理假設(shè)下有可能在近期內(nèi)實現(xiàn)的。
“突破攝星”計劃將在開放、合作的研究環(huán)境中進行，完全屬于基礎(chǔ)科學研究；發(fā)表新結(jié)果，完全透明、開放獲??；對所有相關(guān)領(lǐng)域的專家開放，對公眾開放，誰都可以到項目網(wǎng)站的論壇來貢獻想法。該計劃旨在給科學和太空探索帶來革命性的變化，目前已經(jīng)獲得1億美元的研究經(jīng)費。
結(jié)合美國去年公布的《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報告來看這個項目，不難發(fā)現(xiàn)此項目技術(shù)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推進；二是需解決探測器的小型化問題，包括采用納米材料、結(jié)構(gòu)和制造問題，只有這兩個基礎(chǔ)性的前沿科技問題解決了，尋找人類適應生存的目的地星球的視野才能放寬到太陽系外。這兩個問題在《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報告中都有詳細的分析。
先進空間推進技術(shù)
先進空間推進技術(shù)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(zhì)推進、先進裂變推進等，采用這些技術(shù)可以提高空間探索的有效性，提高空間任務(wù)的靈活性，并可實現(xiàn)在目的地完成一系列科研任務(wù)的目標。這些技術(shù)的技術(shù)生熟度目前還都不高約2-5級，能在工程應用驗證成熟后正式服役的技術(shù)為9級技術(shù)成熟度。
“突破攝星”中提出的在地面高緯度地區(qū)放置范圍幾千公里的激光相控陣，通過激光給納米探測器加速至20%光速，就屬于定向能推進技術(shù)。
定向能推進是指從地基或空基能量站發(fā)出的激光或微波能射向軌道飛行器，用于加速軌道飛行器，同傳統(tǒng)的化學推進相比，定向能推進可使飛行器獲得較大的加速速度。
這項技術(shù)的遠期目標是使用高比沖推進系統(tǒng)（例如從地基發(fā)射激光）實現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括帶有自適應、實時光學追蹤的大型地面或空間能量源；陶瓷復合材料、冷卻及光技術(shù)；推進劑輸送系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)的研制工作也是難點。
這項技術(shù)目前的技術(shù)成熟度為2[含義為形成潛在應用和初步的技術(shù)單元概念，但尚未驗證]，美國國內(nèi)已經(jīng)完成了小規(guī)模試驗驗證，使用10kW脈沖激光器可實現(xiàn)230ft高度自由飛，行星軌道轉(zhuǎn)移試驗件已經(jīng)完成，比沖估計達到500s；這項技術(shù)的研發(fā)目標是使用定向能實現(xiàn)立方星的軌道變更，最短技術(shù)成熟時間為5年，技術(shù)成熟度達到5[含義為識別技術(shù)單元的關(guān)鍵功能，定義與之相關(guān)的相關(guān)環(huán)境。建造用于在相關(guān)環(huán)境下驗證性能的原理樣件（非全尺寸），受制于尺寸效應]。
“突破攝星”中提到的另一種先進空間推進技術(shù)是太陽帆推進的技術(shù)，是指利用類似于鏡子的大型帆反射太陽光產(chǎn)生推力，帆面采用輕質(zhì)并具有反射特性的材料制造而成。
持續(xù)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(zhí)行速度增量大以及工作時間長的深空探測任務(wù)。通過研制尺寸更大的太陽帆和能力更強的太陽帆推進系統(tǒng)，可以幫助NASA開展更多的任務(wù)和任務(wù)類型。
按照NASA的計劃安排：
第一代太陽帆需要足夠的速度增量將壽命長達10年的航天器送到地日之間的拉格朗日點L1，將航天器置于地日連線的固定位置上，預計探測器ΔV＞20km/s，在3年時間內(nèi)用于“日地關(guān)系探測器”計劃上。
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（傾角在75度以上），預計探測ΔV＞30km/s，在2年時間內(nèi)用于“太陽風探測器”計劃上。
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(nèi)發(fā)射，預計探測器ΔV＞40km/s，在2年時間內(nèi)用于“亞軌道探測器”計劃上。
要達到這樣的要求，需要厚度小于3微米的太陽帆，所需的面積為1600m2、22500m2和90000m2。這些技術(shù)挑戰(zhàn)都和太陽帆的規(guī)模相關(guān)，包括制造、封裝、部署、制導、導航和控制，這項技術(shù)的技術(shù)成熟度為5，美國已經(jīng)展開20m×20m地面系統(tǒng)驗證，3μm厚度，預計在2-3年時間內(nèi)技術(shù)成熟度可達到7（含義為在地面或空間環(huán)境下演示使用環(huán)境下的性能。建造并試驗能夠反映飛行模型設(shè)計的所有因素的典型模型，為在使用環(huán)境中演示性能留足余量），探測器使用壽命＞10年。
此外在《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報告中指出美國在納米材料和納米制造方面的最新進展可減輕太陽帆質(zhì)量、提高耐久性和性能的方法。
靜電紡絲被證實可用來生產(chǎn)用作超輕膜的低密度納米級纖維氈，以取代太陽帆所用的傳統(tǒng)聚合物膜?？梢酝ㄟ^使用納米級材料添加劑（如碳納米管、粘土或石墨烯）來改善強度和對空間環(huán)境的耐受性（原子氧、輻射）。靜電紡絲納米纖維結(jié)合自適性納米復合材料可以用于轉(zhuǎn)向太陽帆的開發(fā)。這項技術(shù)有望在5年內(nèi)技術(shù)成熟度從3提高到6。
星際航行一直都是許多人的夢想，以目前科技水平來看雖然實現(xiàn)這一夢想面臨著眾多的技術(shù)障礙，但是霍金教授稱，夢想實現(xiàn)的速度可能比我們想象的要快得多。結(jié)合美國《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報告中對先進空間推進基礎(chǔ)技術(shù)的研究進展情況來看，這句話可不是忽悠啊！
扎實的基礎(chǔ)研究功底加上大膽的科學任務(wù)設(shè)計，以及充足科研資金支持和開放的科研創(chuàng)新環(huán)境，一切夢想皆有可能！
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