p> 3. 动量传递:反射光產生的反作用力会缓慢推动恆星加速,使其达到光速的一个较小比例。
希卡德推进器的加速特性与恆星的质量和亮度相关:
大质量恆星:亮度与质量比更高,因此加速速度更快;
小质量恆星:能燃烧更大比例的燃料,因此最终能达到更高的速度。
但无论哪种恆星,希卡德推进器的加速过程都非常缓慢。由於加速所需的时间极长,从 “推动恆星穿越整个银河系” 到 “推动恆星在邻近几个恆星系统间移动”,所需的努力差异相对较小。
加粗 - 太阳帆
太阳帆的工作原理基於 “光子具有动量” 这一物理特性:
不透明物体吸收光子时,会获得光子的动量;
反光物体(如镜子)反射光子时,会获得两倍於光子入射动量的反衝动量(光子被反向反射,动量变化加倍);
若光子被偏转一定角度,太阳帆和偏转后的光子会向不同方向运动,动量守恆依然成立。
利用这一原理,太阳帆可以 “藉助” 太阳光前进。
但太阳帆存在一个显著弱点:需要製造巨大且轻薄的帆面,才能反射足够的太阳光来推动相对较小的太空飞行器。即便使用超薄材料製造帆面,它仍面临诸多风险:
易受微陨石撞击;
会被太空尘埃和辐射侵蚀;
若帆面过大,还会成为航行中的潜在危险(如与其他天体碰撞)。
此外,太阳光的强度遵循 “平方反比定律”—— 距离太阳越远,光强越弱。例如,太阳帆在冥王星轨道接收到的光强,仅为其在水星轨道时的数千分之一。
为应对这些限制,人们提出了多种改进方案:
雷射帆:本质上是一种 “由雷射聚焦照射的太阳帆”,可通过人工雷射提供持续推力;
电动 / 磁太阳风帆:利用电离太阳风粒子或物质束来推动帆面,而非依赖太阳光。
此外,太阳帆还可用於维持太空飞行器的 “静止轨道” 或非常规轨道,例如静態卫星(statite)的应用。
加粗 - 比冲
比冲与排气速度是衡量火箭燃料、推进剂或太空飞行器推进系统性能的 “孪生指標”:
排气速度:衡量推进剂粒子从火箭喷管或推进器喷出的速度;
比冲(简称 isp):衡量发动机產生推力的效率,通常定义为 “发动机在 1 倍地球重力加速度(1g)下能够持续產生推力的时间”—— 即发动机能使火箭在地球重力场中悬停(既不上升也不下降)的秒数。
大多数现代火箭燃料的比冲在数百秒量级。需要注意的是:
某些比冲较低的燃料在特定场景下可能更有用;
比冲会受环境影响(如在大气层內或太空中使用,比冲会有所不同)。
因此,我们通常会使用比冲较低的助推器来实现地面起飞 —— 这类助推器虽然效率不高,但能提供更大的推力。
比冲与排气速度之间存在明確的数学关係:
推进剂的排气速度除以地球重力加速度(32 英尺 / 秒 2 或 9.8 米 / 秒 2),可近似得到该推进剂的比冲;
反之,比冲乘以地球重力加速度,可得到推进剂的排气速度。
加粗 - 静態卫星
与大多数以 “移动太空飞行器” 为目標的推进系统不同,静態卫星的设计目的是 “使物体保持静止”。
静態卫星的概念由罗伯特?福沃德於 1993 年提出,名称由 “静態”(static)和 “卫星”(satellite)组合而成。它能够直接悬停在恆星上方,而非像普通卫星那样沿轨道环绕恆星运行。
静態卫星的工作原理是 “利用太阳光的辐射压平衡恆星的引力”:
静態卫星的主体是一个轻薄的物体,其平面与恆星光线垂直;
太阳光照射在物体上產生的辐射压,与恆星对物体的引力相互平衡,使物体保持在固定位置。
为確保静態卫星既不远离恆星也不坠入恆星,需要精確平衡其 “截面密度”(即单位面积的质量),因此静態卫星通常会配备调整截面和倾斜角度的装置 —— 这不仅能实现轨道维持,甚至能让静態卫星像太阳帆一样