一款太陽能驅動的飛行器,類似於旅行者號,去了沒有太陽的星系吸收不到太陽能,不就沒有能量了嗎?

旅行者號不用考慮能量的問題,通過慣性滑行,不需要耗費任何能量,但是如果有飛行器離開太陽系。又如何能夠汲取能量呢?


其它恆星系統一般有發光恆星,只是光度不一定滿足飛行器的功率需求。

在目前的技術下,飛行器可以自己攜帶裂變電池。放射性物質的衰變熱可以長久地提供能量。

在距離太陽系不算很遠的地方,可以從太陽系內的巨型激光陣列發射激光束去照射飛行器。目前認為3000TW激光陣列可以將光束射到比鄰星附近去推動光帆飛行器。當然,這種激光器在太陽系內是個嚇死人的武器系統,十分危險。

在更加遙遠的地方,沒有發光恆星卻還能維持「星系」構造意味著那裡有坍縮星、有行星之類,飛船可以用少量燃料做引力彈弓加速。燃料可以是在有光線照射時通過巴薩德前置集氣裝置從星際空間收集的氫。但是,人類目前發射的低速飛行器考慮這個實在沒有必要。在它經過漫長的時間到達其它星系時人類可能早已滅亡,飛行器上的儀器也可能早已報廢。


太陽能就是光能,並不是我們這顆太陽所獨有的。所有的恆星都在無休無止地向四面八方發出電磁輻射(各種頻率的光),而且這光是無遠弗屆的。你能看見天狼星(地球上可見的日、月、行星之外最亮的天體),就說明它所發出的光已經照到你頭上了。所謂的「星系」(行星系: planetary systems),講的是引力束縛系統。若從光輻射的角度來看,根本就不存在任何邊界。你在太陽系裡能照到太陽光,也能照到天狼星的光、織女星的光,這就是明證。差別僅在於有強有弱——

除了光源本身的性質——恆星的大小和年齡——主要就是距離來決定強弱。這就涉及到臭名昭著的平方反比公式:

[公式]

假定某恆星(比如太陽)是一個點,以這個點為原點,以某一距離為半徑(比如太陽到地球的距離1AU),我們可以假想出一個球。那麼這個球面上任意一點的光輻射強度I 就等於恆星的總功率P 除以球面面積:

[公式]

而球面面積公式為 [公式] ,於是

[公式]

同一時間點上,某恆星(比如太陽)的輸出功率P是一個確定的值,4、 [公式] 都是常數。由此可知,光照強度跟物體與光源的距離r的平方成反比。

地球距離太陽是1個AU,土星距離太陽約10個AU,那麼

[公式]

這還只是土星。冥王星距離太陽約40個AU,那冥王星上的日照強度就是——40的平方——只有地球的 [公式]

不用去別的星系,太陽系都沒走出去,太陽能就弱到快可以忽略不計了。


首先這裡的「能量」其實有兩個意思,一個是進行軌道機動,獲得delta V所需要的能量,另一個是飛行器進行通信,運行飛行電腦科學儀器所需的能量。這兩個能量獲取的方式一般不一樣。

目前的探測器,其速度大部分是在發射的時候就獲得的,之後運行中基本上都是在進行軌道微調,速度的改變很有限。因此,其攜帶的姿態控制發動機一般不大,推力也有限。發動機使用的推進劑就是其改變速度的能量來源,一般是偏二甲肼之類的化學推進劑。也有少數探測器使用的是離子推進

Ion Thruster?

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使用電場加速離子以獲得推力。其優點在於改變單位速度所需推進劑極少,效率很高,所需功率很小。缺點在於,其推力很小,需要很長時間的加速才能獲得速度的顯著改變。(思考題:為什麼要用Xe等惰性氣體來產生離子?)使用這種方法的探測器有日本的「隼鳥」號和歐洲的「智慧女神」號,後者花了一年時間才變軌到了月球軌道。這種方法的能量來源自然是電能。目前木星軌道外的深空探測沒有使用這種方法的,可能是後面要說的RTG無法提供離子推進器所需的數千瓦級的電能。

其通信,運行設備所需的能量一般有兩種來源:太陽能和核能。在地球軌道的衛星,空間站,在木星以內的探測器一般是使用太陽能。其優點是成本低廉,而且可以較為容易的獲得數十千瓦級別的能量。缺點則是獲得能量的功率與其和太陽的距離高度相關,而且由於太陽能電池板的老化,其獲得的能量相對不穩定。飛向深空的探測器則是使用放射性同位素熱電池(RTG):

Radioisotope Thermoelectric Generator?

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通過熱電偶,把放射性同位素衰變的熱能轉化為電能。「旅行者」號使用的就是這種供能方式。熱電池中經常使用的一個同位素是Pu 238,其半衰期是87年。這就使得在太陽光照微弱的深空中,熱電池在幾十年的時間尺度內仍能保持較穩定的能量輸出。缺點是其效率非常低(百分之幾的量級,可以思考一下為什麼~),價格高昂,而且難以在合適的重量內獲得較大的功率:「旅行者」號在發射時的功率不過不到五百瓦。不過,按照目前人類的技術能力,這種任務只有RTG一種技術可以使用。

最後補充一句,「星系」一般是指恆星和環繞它運動的行星構成的系統,不存在沒有恆星的星系。而且,目前人類飛行最遠的探測器只是飛行了一百多個天文單位,到達別的星系還有飛幾萬年,但上面的RTG再過十幾年就功率不夠了。


太陽能又不是必須有太陽……有光就行了


「太陽能」只是平時對「光能」的一種說法。

有光就有光能。

太陽沒什麼特別的地方以至於還有什麼獨特的「太陽能」。


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