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三体照进现实,NASA 发射了「太阳光帆」

By: 周奕旨
5 September 2024 at 10:07

自从人类学会了抬头,将目光望向天空与宇宙以后,大海与宇宙便成为人类探索未知的象征,一个指引我们驶向地平线的尽头,另一个激励我们飞向无垠的星空。

数千年来,人类一直使用风力帆作为主要推进手段在地球的海洋上航行。

现在,小说中的人类开始在太空扬帆,前些时日,NASA 将一个巨大的「帆船」送入了太空。

这艘帆船的全称是 Advanced Composite Solar Sail System 3(高级复合材料太阳帆系统 3),最大的特点,就是不需要使用传统燃料,而是与传统的海上帆船一样,使用自然中存在的物质来提供能量。

不过,就像 1979 年,第一部《异形》上映前夕的海报所说:

In space, no one can hear you scream.
在太空中,没人能听到你的尖叫。

这是电影史上最著名的宣传语之一,也是太空的真实写照:声音无法传播的地方,没有空气的存在,自然更不可能有风。

但幸好,太空并非空无一物。

在地球公转轨道附近,每平方米的截面每秒有 10^21 个太阳发射的光子穿过,这些光子虽然没有静止质量,但它们有动量,当光子撞击并反射或吸收时,会将动量传递给太阳帆,凭此,ACS 3 可以缓慢但持续地加速,自在地畅游宇宙。

不过,想要光子能顺利推动卫星,还是有比较严格的前提条件——足够小的体积与重量、还有尽可能大的帆。

ACS 3 卫星超级小巧,只有微波炉大小。这颗卫星由 NanoAvionics 公司制造,由 12 个单元组成,整体尺寸仅为 23x23x34 厘米,在这个大小下,ACS  3 卫星整体重量为 14 千克,这比传统的 12 单元立方体卫星还轻了 6 千克。

体积与重量的问题解决了,摆在我们面前的是这面帆,要怎么才能做得尽量大。

展开过程中,太阳帆一旦出现出现扭曲、撕裂或未完全展开的情况,都会严重影响推进效率和航天器的轨迹控制。

所以,想要这面帆足够大,重要的是支撑帆的杆子在足够轻的同时也足够强。

经过反复测试,ACS 3 使用的小型复合材料吊杆耐用、不易弯曲,能够承受太空环境中的辐射、温度变化和微流星体的冲击;此外,它们还可以卷起来,以尽量减少存放空间,同时提供必要的刚度来支撑风帆,这四个可伸缩的吊杆展开后会分别撑开四个三角形帆,并组成一个菱形。

风帆完全展开大约需要 25 分钟,展开后的面积约为 860 平方英尺(80 平方米),相当于一个小型公寓的占地面积。

美国国家航空航天局艾姆斯研究中心(NASA’s Ames Research Center)的首席系统工程师艾伦-罗兹(Alan Rhodes)说:

七米长的可展开吊杆可以卷成一个手掌能握住的形状。我们希望在这个航天器上验证各种新技术,并激励其他人进一步探索新技术。这项技术将推动未来的太空旅行,并扩大我们对太阳和太阳系的了解。

在一切准备就绪后,ACS 3 搭乘 Rocket Lab 的 Electron 火箭从新西兰的发射场升空。

8 月 30 日凌晨,ACS 3 团队收到了来自宇宙的信息,这艘宇宙帆船已经成功地展开了太阳帆和支撑吊杆。

这是 ACS 3 在低地球轨道运行的第一步,接下来,这艘太空帆船将仅利用来自太阳的光子加速,并在距离地球约 1000 公里的轨道上绕地飞行,由于太阳帆材料的高反射率,观星爱好者或是摄影爱好者应该可以在晴朗的夜晚看到或拍下它。

在太空扬帆,是早期航天科学家和工程师们对无燃料太空推进技术的梦想和探索。

太阳帆的概念最早由俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)和美国科学家罗伯特·莱特希尔(Robert L. Forward)等人提出,他们设想利用太阳光的辐射压力来驱动航天器。

这种想法随后在科幻文学和实际科学研究中得到了广泛传播和讨论,《2001:太空漫游》的作家阿瑟·克拉克就在他的小说《太阳帆》(The Wind from the Sun)中详细描绘了太阳帆的太空航行:

帆如同一片巨大且薄如蝉翼的反光薄膜,在太空中展开时,它像一个巨大的银色风筝,能够捕捉到太阳光的微小推力,从而推动航天器缓缓前进。

在《三体》中,刘慈欣也想象过太阳帆的更多可能:人类在三体的威胁下,在太阳系布置了一个巨大的太阳帆来收集并反射太阳光,从而制造一个非常明亮的光点,向全宇宙暴露太阳系的位置,以此作为「黑暗森林理论」的威慑手段。

小说跟上了,现实也没落下,我国对于太阳帆的研究也获得了不小的成就。

2019 年底,由中国科学院沈阳自动化研究所研制的「天帆一号」太阳帆就搭载长沙天仪研究院潇湘一号 07 卫星,成功在轨展开。

这次实验,验证了微小卫星两级主被动展开系统、可展开双稳态杆技术、柔性帆膜材料、帆膜折叠展开技术等多项关键技术,标志着太阳帆关键技术试验验证任务取得成功,并迈向成熟。

虽然在剧情需要下,小说或是科幻作品中的太阳帆往往事关人类种族存亡,带有强烈的生死对抗色彩,但现实中国内外的众多太阳帆项目,却是为和平、安全和持续地探索太空作出尝试与贡献。

无论是美国的 ACS 3 项目还是中国的天帆一号,都在尝试摆脱燃料的限制,往宇宙更深处迈出脚步。

正如帆船曾引领人类征服海洋,如今的太阳帆,正在开拓我们前往星辰大海的新航道。

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流浪地球2:图恒宇和 Moss 必然的相逢

By: Steven
27 January 2023 at 02:30

我最喜欢的部份是图恒宇的故事线,但不是他对女儿的执念,而是对技术的信念,以及 Moss 对生死和变量的注解。

整部影片的视效确实非常震撼和好看,但其中的人与人性还是略显潦草和脸谱化,所有推动节点都略俗套。刘培强的工具人属性太强,沙溢、图恒宇、马主任的角色都立起来了,刘培强的篇幅那么长却没立起来,这是剧本的问题。

因此我更喜欢图恒宇的故事线。

如果是我,也会支持「数字生命计划」这类脱碳入硅的技术方案。一方面,我不认为以人类的血肉之躯可以完成 2500 年长达一百代人的流浪地球任务,我不相信地球人类会团结一致长达二十五个世纪;另一方面,让人类与人工智能融合,成为新的物种,摆脱对地球生态圈的过度依赖,是地球人类成为星际人类的过程中,至关重要的一步,早晚得走这一步。

一句话评价:

这是一部非常出色,但还不够动人的科幻视效大片。

不过我依然给五星,因为同时做好科幻视效和人性故事的,需要给七星。

电影是小柒用压岁钱请爸爸妈妈看的

“只送大脑”

By: Steven
21 November 2022 at 20:07

最近 B站 在推他们跟 BBC 合作的三集科学纪录片《未来漫游指南》。讨论的话题是人类目前的科学水平在天文领域的研究成果和对未来的展望,并且邀请刘慈欣一起推演。一些知识区的 Up主 也很配合地制作了不少讲述人类可以如何走向星际的内容,仿佛这件事情已经近在眼前一般。

尽管大刘一再强调 “黑暗森林理论” 只是一种思想实验,但这个理论这几年已经被互联网人搞得好像已经是宇宙的真相似的了。我不太喜欢这种网络现象,但小说《三体》中云天明的两次出场,每每回味,总是忍不住心生向往。

因为人类技术有限,化学火箭无法把活人发送到三体舰队那里。因此有了只发送大脑的计划。这是多么大胆和浪漫的想法啊!同时这也非常符合我对未来的期待:脱离智人肉体的束缚,让智能的部份融入到星际文明中。

另一次我所喜欢的场景,并不是大家津津乐道的 “童话故事隐喻” 那一段,而是最后他和 艾AA 见面那一段。因为那一刻的云天明真正成为了星际人类,他真正了解并体会到智子所说的 “宇宙很大,生活更大” 的含义。我不得不承认,我真的太向往那种情境了。亲眼看着一个星球从绿色变成紫色,超越了地球对太阳公转周期对生命纬度的限制,体会到了一个星球所有生命都不曾有机会经历的周期。

大概从大学时代开始吧,具体什么时候我已经说不清楚了,我就开始坚信一个 “未发生但注定发生的事实”:

我这代人会亲眼见证人类走向星际,而我的孩子,将会成为进入星际的第一批地球人类。他未必需要是科学家或工程师,但他会在我的注视下走向星际。我将是最后一批地球人类。

“如果我的大脑也能离开地球,那就好了。”

还有四十年,也不远了。

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