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以光速的20%飞行将会有多危险?与灰尘相撞即是灾难

用来为飞船加速的太阳能板可能会成为尘埃的重点撞击对象用来为飞船加速的太阳能板可能会成为尘埃的重点撞击对象

“突破摄星”项目是过去十年中提出的最令人激动的科学设想之一。该项目计划向距地球最近的恒星发射航天器,目前在世的大多数人在有生之年都能亲眼见证。虽然从理论上来说,在对现有技术做适当延伸之后,该设想是可以实现的,但还有大量细节需要验证,因为有一个问题对于该项目来说可能是致命性的。

先来听一点好消息:“突破摄星”正在为必需的研究项目提供资金赞助,仔细验证该项目运用的科学概念。该团队近日在arXiv网站上发表了一篇论文预印本,详细地分析了在高速航行时、航天器能经得住这种长途旅行的概率有多大。总的来说,事情看上去还是很顺利的,但分析结果显示,航天器还需要在防护罩上再下一点功夫,仅仅是一小粒灰尘,就有可能引发灾难性的后果。

该研究团队由四名天文学家组成,他们关注的是最为基本的问题之一:航天器的生存几率。“突破摄星”项目希望能把航天器加速到光速的20%左右。以这样的高速飞行时,甚至一个小小的原子都能让航天器受到严重破坏,如果与灰尘相撞,结果更是灾难性的。因此该研究团队希望能弄清发生这种碰撞的风险究竟有多大。

从地球到最近的恒星之间的空间并非空无一物。早期形成的恒星在宇宙中留下了少量细小的尘埃粒子,各类宇宙活动也产生了很多单个的原子,四处分散在宇宙中。这些粒子会对航天器造成严重的威胁,科学家们对它们分别进行了单独研究。

如果撞上一个原子,主要的问题不在于碰撞本身,而是撞击产生的能量会聚积在航天器中,造成局部过热,这会带来两种后果。如果温度过高,航天器所用的材料就会蒸发到太空中;而如果温度没那么高,就会出现局部材料融化,这部分材料重新凝固之后,材料的性状就会发生改变。

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研究人员利用石英(二氧化硅)做了撞击测试,利用测试中得到的信息,再加上对宇宙中气体浓度的测量结果,研究人员通过计算,描述了飞行过程中可能遭遇到哪些损伤。研究结果发现,虽然氢原子和氦原子是航天器可能撞上的最常见的粒子,但质量更重的原子、特别是氧原子、镁原子和铁原子等,会对航天器造成更严重的伤害。

尘埃则会带来另一个问题。如果航天器撞上了体积较小的尘埃,效果就像同时撞上了很多个气体原子一样。因为与撞击产生的能量相比,把这些原子联结成一粒尘埃的能量几乎微不足道,况且构成尘埃的主要是质量较重的原子。但如果尘埃的体积大到一定程度,撞击产生的能量就足以摧毁航天器。而且所谓的“大到一定程度”也并没有多大,研究人员估计,尘埃的直径只需要达到15微米,就足以毁掉整艘航天飞船了。幸运的是,像这么大的尘埃粒子是很少见的,撞上的几率大约是1050分之一。

总的来说,研究人员认为,气体原子对航天器的影响是很小的,造成的伤害顶多只有0.1毫米深。但尘埃就不一样了,航天器撞上尘埃之后,表面可能会有1.5毫米厚的材料蒸发掉,如果材料融化的话,深度更是可能达到10毫米深。而航天器上的每一点材料都至关重要,因此这会对航天器造成十分严重的伤害。

研究人员提出了几种可能会降低撞击风险的方法。最简单的一种方法是,减小航天器在前进方向上的横断面面积,如将太阳能板折叠起来、藏在防护罩后面等等。航天器的主体部分也将做成子弹型,以便减少可能会撞上灰尘的区域面积。不过,如果太阳能板需要用来和地球取得联系的话,这种方法或许就不可行了。

既然最大的问题是局部过热,该研究团队还提出,在航天器前部增装一层石墨,以便更高效地分散热量。研究人员把石墨与石英对比后发现,使用了石墨之后,由撞击引发的损失可以大大降低。

但研究人员并未解决由撞击产生的动能改变问题。每一粒尘埃粒子都会让航天器上的一小部分材料蒸发到太空中,从而对航天器产生反作用力,使它的运行方向发生轻微的改变。日积月累,这些撞击坑会均匀分布在航天器的表面,但航天器的飞行轨迹也会发生一定的变化,这要取决于撞击分布的均匀程度,以及经受撞击的时间。

因此,这些撞击可能会增加航天器抵达目标星球的难度。考虑到航天器上搭载的传感器质量也许会受到一定限制,要想让航天器飞到其它恒星附近,也许并不是一件简单的事情。

文  新浪科技

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