[论文解读] A mission architecture to reach and operate at the focal region of the solar gravitational lens

Henry Helvajian, Alan Rosenthal+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Spacecraft Design and Technology被引用 4

一句话总结

本文提出了一种可行的使命架构，利用太阳帆加速的纳米卫星在超过548 AU处抵达并运行太阳引力透镜（SGL）焦点区域，这些纳米卫星可自组装成具备任务能力的航天器。该方法可利用现有或近期技术实现高分辨率系外行星成像，配备米级望远镜，实现数十公里级别的地表分辨率，并通过多像素成像与光谱学检测宜居性迹象。

ABSTRACT

We present initial results of an ongoing engineering study on the feasibility of a space mission to the focal region of the solar gravitational lens (SGL). The mission goal is to conduct exoplanet imaging operations at heliocentric distances in the range ~548-900 astronomical units (AU). Starting at 548 AU from the Sun, light from an exoplanet located behind the Sun is greatly amplified by the SGL. The objective is to capture this light and use it for multipixel imaging of an exoplanet up to 100 light years distant. Using a meter-class telescope one can produce images of the exoplanet with a surface resolution measured in tens of kilometers and to identify signs of habitability. The data are acquired pixel-by-pixel while moving an imaging spacecraft within the image. Given the long duration of the mission, decades to 900 AU, we address an architecture for the fastest possible transit time while reducing mission risk and overall cost. The mission architecture implements solar sailing technologies and in-space aggregation of modularized functional units to form mission capable spacecraft. The study reveals elements of such a challenging mission, but it is nevertheless found to be feasible with technologies that are either extant or in active development.

研究动机与目标

• 设计一种任务架构，利用先进推进与模块化航天器，在可行的时间范围内实现快速、低成本地抵达548–900 AU的SGL焦点区域。
• 利用位于SGL焦点处的米级望远镜，实现距离达100光年系外行星的多像素成像，地表分辨率在数十公里级别。
• 通过在轨聚合模块化、可批量生产的纳米卫星以及成熟技术，降低任务风险与成本。
• 展示在650 AU以外长期深空运行的可行性，采用抗辐射电子设备与分布式电力系统。
• 利用太阳引力透镜效应，实现对潜在宜居系外行星的直接光谱学与成像观测，科学回报可媲美星际任务。

提出的方法

• 利用太阳帆实现高速飞向548–900 AU区域，借助近日点通过实现最大加速度。
• 在会合点对纳米卫星（不包括帆）进行在轨自组装，形成具备任务能力的航天器。
• 部署一台米级光学望远镜，配备内部日冕仪以阻挡太阳光，捕获放大的系外行星信号。
• 应用并行工程方法（CEM）以优化系统设计、抗辐射能力与电力分配。
• 集成抗辐射电子设备，包括宽禁带半导体（如氮化镓）与纳米尺度真空沟道晶体管，以实现高可靠性。
• 通过微型化放射性同位素电源系统（RPS）与边缘计算平台实现分布式供电，支持自主运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于太阳帆的使命架构是否能利用现有或近期技术，在可行的时间范围内实现抵达SGL焦点区域？
• RQ2 在650 AU以外区域，纳米卫星的在轨自组装是否可行，可形成具备任务能力的航天器？
• RQ3 抗辐射电子设备与微型化RPS单元是否能确保在深空环境中数十年的可靠运行？
• RQ4 在SGL焦点处，使用米级望远镜对系外行星成像，可实现多高的地表分辨率与信噪比（SNR）？
• RQ5 SGL焦点区域是否能实现距离达100光年系外行星的多像素成像与光谱学分析，并探测到宜居性迹象？

主要发现

• 该任务架构在技术上是可行的，所采用技术包括太阳帆、模块化纳米卫星与抗辐射电子设备，均已在用或处于积极开发中。
• 通过太阳帆推进，可在数十年内实现抵达548–900 AU的SGL焦点区域，抵达650 AU的最短飞行时间约为15年。
• 在SGL焦点处部署的米级望远镜，可在1 μm波长下实现理论角分辨率0.2纳角秒，使系外行星地表分辨率可达数十公里。
• 在1 μm波长下，SGL可提供高达2.11×10^11的亮度放大因子，显著增强对微弱系外行星目标的信号收集能力。
• 通过屏蔽、冗余设计、按设计加固，以及使用氮化镓等宽禁带半导体与纳米尺度真空晶体管，辐射效应可有效管理。
• 该任务可实现对距离达100光年系外行星的直接多像素成像与光谱学分析，具备探测宜居性迹象（如地表特征与大气成分）的潜力。