伊卡洛斯星际航行工程:人类星际航行计划

时间:19-08-29 栏目:天文科学 作者:wenkula 评论:0 点击: 216 次




伊卡洛斯飞船的一个探测器释放着落系统


伊卡洛斯星际航行工程是一个人类星际航行计划,旨在发射一艘无人飞船进行星际航行,并前往距离地球最近的一颗恒星。该计划由Tau Zero基金会与英国星际协会负责运行,并且有一批致力于人类星际航行梦想的科学家进行飞船的研发。英国星际协会兼伊卡洛斯航行计划的科学家Rob Swinney,主要负责飞船在星际航行中的导航与空间定位问题,目前其研究范围缩小在以12%的光速飞行时,如何对飞船进行导航。


你可以想象一下这样的情景:柯克船长率领星际舰队的“企业”号飞船对抗外星人攻击时下令:“250标记星,引力7,曲速3.5”。利用时空扭曲进行星际旅行。然而,柯克船长所说的,“250标记星,引力7”是什么意思呢?这就是一种星际导航以及方向确认的命令。但这毕竟是电影中的场景,而其体现的则是使用恒星或者宇宙射电信号进行导航,通过测量相对天体的角度来定位和测速,这也是当前行星际航行的导航方式。而后者则是代表飞船使用行星引力场进行初始段的加速,这也是旅行者探测器的飞行技巧,其也被称为天体引力导航技术。


星际导航问题早在上世纪70年代就困扰“代达罗斯计划”,当时希望研究出核动力引擎作为宇宙飞船的动力,并以此前往6光年之遥的巴纳德星,由于人类航天水平确实跟不上理论中的计划,而且星际导航的问题需要强大的空间观测能力做铺垫。在GPS导航系统还未问世前,进行长途旅行主要依靠指南针、天体运行位置等辨认方向,而通过观测天体位置是一种古老又现代方法。由于地球自转和公转的影响,观测到的天体似乎出现明显的运动,但是这些恒星或者星系都距离非常遥远,可以说是挂在天上不动的,这就是现代以及未来星际导航的基本理论基石。


但是,这里就有出现了个问题:进行恒星际的航行,所前往的恒星距离飞船越来越近,要想得知此刻飞船的位置和速度就非常棘手。就像代达罗斯飞船抵近巴纳德星时,这个时候巴纳德星就不能作为导航星了,由于“视差效应”作用,最近的恒星会出现位置上的移动,也就是说飞船要重新选择新的导航星以推算自己的位置。另外,以当时的技术条件,精确测量地球与巴纳德星之间的距离也成为一个严重问题,并且对巴纳德星周围的恒星同样没有精确的距离,误差可以达到10%,这个误差对星际航行而言是非常致命的。


而除了这点外,要知道飞船现在是以极高的速度进行飞行,据代达罗斯计划科学家Geoff Richards介绍:按设计的思路,飞船目前是以12%的光速进行高速航行,对其进行精确控制的非常必要的,科学家目前已经计算出其相对应的状态方程,以在这个速度下进行航向的调整。这些前人的积累以及数据的修正都被纳入未来的星际航行计划中,这其中也包括伊卡洛斯计划。


同时被伊卡洛斯计划借鉴的还有:除了长时间的宇宙航行,代达罗斯飞船导航节点上还有一个中期轨迹修正,以前确保对目的地的准确指向。当飞船靠近巴纳德星系统时,飞船将释放一个探测器对这个恒星系统中的一个行星进行探测。这上世纪70年代,没有人会相信按正常的科技发展这个技术会实现,然而现在在伊卡洛斯计划中,我们的探测器系统将变得越加成熟。我们目前已经能通过现代化的空间观测网对目标恒星的具体情况进行详细的研究,可以精确地确定其距离和位置,这些都将对伊卡洛斯计划产生深远的影响。


除此之外,由于伊卡洛斯计划还处于项目讨论阶段,还没涉及到具体的飞船制造,所以可以采用多种方式进行飞船改进,特别是在现代化得制导和导航仪,以及恒星跟踪仪、姿态传感器等都可以为飞船提供精确的目的地指示和抵达时精确的减速。但是如果伊卡洛斯飞船进行到减速阶段时,飞船的导航控制将转为自动导航,不再需要人工控制了,也就是说:这是一艘名副其实的全自动探测飞船,因为目标恒星距离我们太远,将近4光年的距离不可能进行人工控制。飞船将在自主导航下对行星进行探测,这一切对导航系统也提出了更高的要求,例如要求精确提供目标恒星中各个行星的轨道参数等。


让飞船进行全自主的飞行后,接下来会发生的情况就不在设计师的控制范围之内了,飞船将释放探测器并自动导航降落在太阳系之外的行星上,虽然这是激动人心的时刻,但是这一切都是在未知环境中进行,没人知道会发生什么。与飞船上其他系统一样,导航系统将需要工作长达100多年,不仅要能自动处理设备故障,同时也要抵御复杂不利的星际空间。而像代达罗斯计划中的导航设备,只能确保在15年内不出现故障,飞船则需要自动机器人和一堆的零部件进行更换,这也是伊卡洛斯飞船航行中需要解决的问题。其中一个可行的设想是:在路途上提前发射多个探测器,作为中继制导的导航站,这就是“星座导航”模式。


“星座导航”模式的最大优点是:如果整体式的导航系统出现故障,那整个飞船航行就失败了,而由许多导航探测器组成导航网不会受到全军覆没的危险,而探测器上的小发动机还可以为飞船减速提供动力。这种星座模式导航可能将使用干涉网平台进行联网。


另一个关于导航的问题就是如何与地球通讯。不仅飞船航行时需要有通讯设备,而且到达目标恒星进行探测后也要把数据传回地球。科学家准备了40米直径的天线进行通讯,而且还要保证天线要精确指向地球,这对飞船在另一个恒星系统中的定位又提出了更高的要求,这事也星际航行计划真正挑战之处。目前也有研究表明:利用激光进行星际通讯可以增加伊卡洛斯飞船的数据传输量。总之,对于梦想踏上宇宙航行时代的人类而言,解决空间导航和制导定位问题不仅是伊卡洛斯要完成的任务,而是大宇航时代必须逾越的技术难题。



腾讯科技(Everett/编译)



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