藝術家對即將于2025年2月發射的太陽天內美國宇航局太陽巡洋艦任務的再現，這是到達為這項最新研究開發的太陽帆類型的一個例子。鳴謝:uux.cn/美國宇航局
（神秘的火星地球uux.cn）據《今日宇宙》（勞倫斯·托格內蒂）：最近提交給《宇航學報》的一項研究探索了使用航空石墨太陽帆前往火星和星際空間的可能性，這將大大減少此類任務所需的太陽天內時間和燃料。
這項研究是到達在許多組織正在對太陽帆的使用進行研究的同時進行的，同時行星協會成功完成了LightSail2任務，火星并有可能為長期太空任務開發更快、太陽天內更有效的到達推進系統。
“太陽帆推進具有在整個太陽系快速運送小有效載荷(亞千克)的火星潛力，”馬克斯·普朗克太陽系研究所的太陽天內天體物理學家、該研究的到達合著者René Heller博士告訴《今日宇宙》。“與傳統的火星化學推進相比，這聽起來小得可笑，太陽天內傳統的到達化學推進可以將數百噸的有效載荷帶到近地軌道，并將其中的火星大部分送到月球、火星和更遠的地方。但太陽帆技術的關鍵價值在于速度?！?br>傳統火箭依靠燃燒化學物質形式的燃料在飛船后部施加外力，與此不同，太陽帆不需要燃料。相反，它們使用陽光作為推進機制，因為巨大的船帆捕捉太陽光子，就像風帆在水上行駛時捕捉風一樣。太陽帆展開的時間越長，捕獲的太陽光子就越多，從而逐漸提高航天器的速度。
為了進行這項研究，研究人員對質量高達1公斤(2.2磅)的航空石墨制成的太陽帆進行了模擬，其中包括720克橫截面積為104平方米的航空石墨，可以以多快的速度到達火星和星際介質，也稱為日光層，使用從地球出發的兩種軌道，分別稱為直接向外轉移和向內轉移方法。
前往火星和日頂的直接向外轉移方法包括太陽帆展開和直接離開地球周圍的極地軌道。研究人員確定，在太陽帆展開和離開地球時，火星處于相對位置(地球與太陽正對)，將產生速度和旅行時間的最佳結果。
同樣的極地軌道部署和離開也用于日頂軌道。對于向內轉移方法，太陽帆將通過傳統的化學火箭被運送到距離太陽大約0.6個天文單位(AU)的地方，太陽帆將在那里展開并開始其前往火星或日頂的旅程。但是，航空石墨太陽帆如何使這一旅程更加可行呢？

行星協會的光帆2號在2019年11月25日繞地球飛行期間拍攝的圖像。船帆的彎曲外觀來自飛船的185度魚眼鏡頭，圖像經過了色彩校正和去除部分失真的處理。信用:uux.cn/行星協會
“由于其每立方米0.18公斤的低密度，航空石墨削弱了所有傳統的太陽帆材料，”德累斯頓理工大學的研究助理兼該研究的主要作者Julius Karlapp告訴《今日宇宙》。例如，與聚酯薄膜(一種金屬化聚酯薄膜)相比，密度要小四個數量級。假設太陽帆產生的推力直接取決于太陽帆的質量，那么產生的推力要高得多。除了加速優勢，aerographite的機械性能也很驚人。”
通過這些模擬，研究人員發現直接向外轉移方法和向內轉移方法分別導致太陽帆在26天和126天內到達火星，前103天是從地球到0.6 AU部署點的旅行時間。
對于前往日頂的旅程，這兩種方法分別需要5.3年和4.2年，向內轉移方法的頭103天也用于從地球到0.6天文單位部署點的旅行時間。向內轉移方法更快到達日頂的原因是太陽帆在300天達到最大速度，而向外轉移方法大約需要兩年才能達到最大速度。
目前前往火星的旅行時間在7至9個月之間，這僅在每兩年一次的特定發射窗口期間發生，同時依賴于任何前往或來自火星的航天器在發射和到達時兩個行星的位置對準。使用美國宇航局的旅行者1號和旅行者2號探測器可以估計目前到達日頂的旅行時間，這兩個探測器分別在大約35年和41年到達日頂。
研究人員指出，使用太陽帆的一個主要問題是在到達目的地，特別是火星時減速，盡管他們提到aerocapture是一種解決方案，但他們承認這仍需要進一步研究。
“雙曲線軌道(如從地球飛往火星)的氣動捕獲機動利用大氣層來逐漸降低阻力造成的速度，”物理學家、德累斯頓理工大學空間系統教授、該研究的合著者馬丁·塔伊馬爾博士告訴《今日宇宙》。
“因此，進入火星軌道需要更少的燃料。我們使用這種制動策略來消除對額外制動推進器的需要，從而減少航天器的質量。我們目前正在研究哪些替代策略可能對我們有用。然而，制動方法只是我們目前面臨的眾多不同挑戰之一。”
雖然太陽帆技術早在20世紀70年代就由美國宇航局提出，但太陽帆技術的最近一個例子是美國宇航局的太陽巡洋艦，目前計劃于2025年2月發射。

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