“突破摄星”的前沿技术

    英国著名物理学家斯蒂芬·霍金同俄罗斯商人尤·米尔纳近日宣布启动“突破摄星”计划，其目标是在我们这一代人的有生之年，抵达距离地球约4.37光年远的半人马座阿尔法星。这一计划将研发出质量为几克重、邮票大小的“纳米探测器”，制造成本仅相当于一部苹果手机。这是人类历史上前所未有的太空探索计划，需要解决先进空间推进和探测器轻量化等星际航行中的重大前沿科技问题，只有这些问题解决了，寻找适合人类生存星球的视野才能放宽到太阳系外。

纳米探测器20年飞抵4.37光年之处

    英国著名物理学家斯蒂芬·霍金同俄罗斯商人尤·米尔纳近日宣布了“突破摄星”的计划。所谓“突破摄星”，就是要研发出一种质量为几克重、邮票大小的“纳米探测器”，米尔纳在发布会上展示了“星芯”的成品原件，该芯片仅有两三厘米见方、几克重，但集成了摄像机、光子推进器、导航和传输部件，是具有完整深空探测功能的飞行器，而制造成本仅相当于一部苹果手机。

    这个芯片会安装上名为“光帆”的超材料布篷，通过地面发射高能激光助力推进，为这些纳米探测器加速至五分之一光速，这些探测器将用20年左右的时间到达离人类最近的恒星系——“半人马座阿尔法星系”，距离地球约4.37光年，并在那里拍摄照片、采集科学数据，把相关信息通过激光传回地球。把寻找宜居星球的目标定为半人马座阿尔法星系，是因为那里有可能存在类地行星，而半人马座阿尔法星系是距离太阳系最近的恒星系之一，现有最快的宇宙飞船飞到那里也需花费3万年时间。

    “突破摄星”计划是人类历史上前所未有的太空探索计划。从项目网站公布的信息可以得知：它的任务目标是在我们这一代人的有生之年，抵达半人马座阿尔法星，其核心是纳米探测器和地面激光推进装置。纳米探测器包含星芯和光帆两个主要部分，其中星芯包括相机、光子推动器、动力供应系统、导航和通信设备，属于微型完整的空间探测器，总重量是几克至几十克。光帆只有几百层原子的厚度，质量也为几克至几十克。激光推进装置由若干激光阵列构成，每次发射需要产生和存储的能量，大约相当于几百万度（千瓦时）的电量（指从进入地球低轨道太阳帆展开后到加速至1/5光速的能量）。

    通过任务描述，整个项目的实施过程大致如下：

    ①在高海拔的干燥地区，建立陆基的、范围为几公里的激光相控阵列，中国的西藏高原是备选发射地之一；

    ②每次发射时需要产生和存储的能量大约相当于几百万度电量；

    ③发射搭载几千个纳米探测器的卫星飞到高纬度的近地轨道上；

    ④采用自适应光学技术，消除地球大气层对激光光束的干扰；

    ⑤把激光束聚焦在光帆上，在几分钟内把纳米探测器加速到五分之一的光速；

    ⑥星际航行有可能遇到星际尘埃损失掉部分纳米探测器；

    ⑦剩余的纳米探测器上的激光通信系统将拍摄到的行星图像和其他科学数据传回到地球上；

    ⑧利用纳米探测器的激光探测装置收集4光年后的数据。

    据“突破摄星”项目团队介绍，这些关键要素有些已能实现，其他的则是在合理假设下有可能在近期内实现。这一计划旨在给科学和太空探索带来革命性的变化，目前已经获得1亿美元的研究经费。它将在开放、合作的研究环境中进行，发表新成果完全透明，开放获取，并且是对所有相关领域的专家开放，对公众开放，大家都可以到项目网站的论坛来贡献想法。

先进空间推进和探测器轻量化

    结合美国去年公布的《2015年NASA一体化技术路线图》报告来看这个项目，不难发现其难点主要集中在两个部分，一是需解决星际航行中的先进空间推进问题，包括定向能和太阳帆两种推进方式；二是需实现探测器的小型化，包括采用纳米材料、结构和制造问题，只有解决这两个基础性的前沿科技问题，寻找适应人类生存星球的视野才能放宽到太阳系外。

    首先来看看先进空间推进技术，先进空间推进技术主要包括定向能推进、太阳帆或阻力帆推进、电帆推进、聚变推进、反物质推进、先进裂变推进等，采用这些技术可以提高空间探索的有效性，提高空间任务的灵活性。这些技术的技术成熟度目前还都不高，大约是2～5级，而能在工程应用验证成熟后正式服役的技术则应该是达到9级技术成熟度。

    “突破摄星”中提出的在地面高纬度地区放置范围几公里的激光相控阵，通过激光给纳米探测器加速至20%光速的技术，就是定向能推进技术。这种技术可以从地基或空基能量站发出激光或微波，射向轨道飞行器，用于其加速。与传统的化学推进相比，这种技术可使飞行器获得较大的加速度。这项技术的远期目标是从地基发射激光实现轨道转移任务。面临的技术挑战包括带有自适应、实时光学追踪的大型地面或空间能量源的建设，陶瓷复合材料、冷却激光技术，推进剂输送系统及热交换系统的研制等。

    这项技术目前的技术成熟度为2，即形成潜在应用和初步的技术单元概念，但尚未验证的阶段。目前美国国内已经完成了小规模试验验证，使用10千瓦脉冲激光器可实现230英尺高度自由飞，行星轨道转移试验件已经完成。这项技术的研发目标是使用定向能实现微纳“立方星”的轨道变更，最短技术成熟时间为5年。

    “突破摄星”计划中提到的另一种先进空间推进技术是太阳帆推进技术，是指利用类似于镜子的大型帆反射太阳光产生推力，帆面采用轻质并具有反射特性的材料制造而成。持续的太阳光压能够提供有效主动力，不需要耗费任何推进剂或其他能源，可以执行速度增量大以及工作时间长的深空探测任务。通过研制尺寸更大的太阳帆和能力更强的太阳帆推进系统，可以帮助深空探测开展更多的任务。

    按照美国2015年的规划设想，第一代太阳帆需要足够的速度增量将寿命长达10年的探测器送到地日之间的拉格朗日点L1，将探测器置于地日连线的固定位置上，预计探测器的加速度大于20km/s，在3年时间内用于“日地关系探测器”计划上。

    第二代太阳帆需要足够的速度增量将寿命为10年以上的航天器送入0.48个天文单位以远的以太阳为中心的轨道上，预计探测器的加速度大于30km/s，在2年时间内用于“太阳风探测器”计划上。

    第三代太阳帆需要足够的速度增量将“旅行者”一类的航天器送到250个天文单位以远的位置，要求在20年内发射，预计探测器的加速度大于40km/s，在2年时间内用于“亚轨道探测器”计划上。

    要达到这样的要求，需要厚度小于3微米的太阳帆，所需的面积为1600平方米、22500平方米和90000平方米。这些技术挑战都和太阳帆的规模相关，包括制造、封装、部署、制导、导航和控制。目前这项技术的成熟度为5，美国已经展开20米×20米地面系统验证，3微米厚度，预计在2至3年时间内技术成熟度可达到7，即可在地面或空间环境下演示使用环境下的性能。

纳米材料可减轻太阳帆质量         

    《2015年NASA一体化技术路线图》报告指出，美国在纳米材料和纳米制造方面的最新进展可减轻太阳帆质量，提高耐久性。例如，静电纺丝被证实可用来生产超轻膜的低密度纳米级纤维毡，以取代太阳帆所用的传统聚合物膜。静电纺丝结合自适性纳米复合材料可用于转向太阳帆的开发。这项技术有望在5年内使技术成熟度从3提高到6。

    星际航行是人类的梦想，虽然实现这一梦想面临着众多的技术障碍，但霍金称：“梦想实现的速度可能比我们想象的要快得多。”结合目前的研究情况来看，扎实的基础研究功底加上大胆的科学任务设计，以及充足科研资金支持和开放的科研创新环境，一切梦想皆有可能。突破摄星计划的目的地，半人马座阿尔法星系是一个拥有三颗恒星的系统，也许在我们的有生之年，真的能看到阿尔法星系上“三颗太阳”的壮观景象。

    （果琳丽，作者为中国空间技术研究院载人航天总体部研究员）