[论文解读] A Roadmap to Interstellar Flight

Philip Lubin|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2016

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 9被引用 13

一句话总结

本文提出了一项利用定向能推进的星际飞行路线图，具体通过地基激光阵列加速轻质‘晶片卫星’——具备集成仪器的克级航天器——以达到相对论速度（超过光速的1/4）。该方法可使任务在数十年内抵达邻近恒星，借助可扩展的光子推进和微型化系统，克服当前推进技术的限制。

ABSTRACT

In the nearly 60 years of spaceflight we have accomplished wonderful feats of exploration that have shown the incredible spirit of the human drive to explore and understand our universe. Yet in those 60 years we have barely left our solar system with the Voyager 1 spacecraft launched in 1977 finally leaving the solar system after 37 years of flight at a speed of 17 km/s or less than 0.006% the speed of light. As remarkable as this is we will never reach even the nearest stars with our current propulsion technology in even 10 millennium. We have to radically rethink our strategy or give up our dreams of reaching the stars, or wait for technology that does not currently exist. While we all dream of human spaceflight to the stars in a way romanticized in books and movies, it is not within our power to do so, nor it is clear that this is the path we should choose. We posit a technological path forward, that while not simple, it is within our technological reach. We propose a roadmap to a program that will lead to sending relativistic probes to the nearest stars and will open up a vast array of possibilities of flight both within our solar system and far beyond. Spacecraft from gram level complete spacecraft on a wafer ("wafersats") that reach more than $1/4c$ and reach the nearest star in 20 years to spacecraft with masses more than $10^5$ kg (100 tons) that can reach speeds of greater than 1000 km/s. These systems can be propelled to speeds currently unimaginable with existing propulsion technologies. To do so requires a fundamental change in our thinking of both propulsion and in many cases what a spacecraft is. In addition to larger spacecraft, some capable of transporting humans, we consider functional spacecraft on a wafer, including integrated optical communications, imaging systems, photon thrusters, power and sensors combined with directed energy propulsion.

研究动机与目标

• 解决当前化学和电推进的根本局限，即无法在可行的时间框架内实现星际飞行所需的高速度。
• 克服传统航天器因质量与速度限制而难以执行星际任务的不切实际性。
• 开发一种可扩展、技术上可行的路径，利用定向能推进将相对论速度探测器送往邻近恒星。
• 通过推进和航天器设计的突破，实现机器人任务甚至潜在的人类任务。
• 通过重新定义航天器为集成化、微型化的系统，使其具备以相对论速度执行深空飞行的能力，开创空间探索的新范式。

提出的方法

• 利用地基激光阵列提供定向能推进，将轻质航天器加速至相对论速度。
• 设计‘晶片卫星’——克级、完全集成的航天器——配备机载电源、成像、通信和光子推进器。
• 实施光学通信，实现在深空向地球的高带宽数据传输。
• 利用光子动量传递实现高加速度，而无需携带推进剂。
• 采用可扩展的激光阵列技术，实现将有效载荷加速至超过0.25c所需的动力水平。
• 整合先进材料与微型化电子元件，确保在高速度下结构完整性和功能正常。

实验结果

研究问题

• RQ1 定向能推进是否能够使航天器在人类寿命范围内达到星际飞行所需的相对论速度（≥0.25c）？
• RQ2 开发一种可扩展的激光阵列系统，将克级探测器加速至星际速度，其技术和工程挑战是什么？
• RQ3 完全集成的微型化航天器（晶片卫星）在星际飞行期间如何保持功能性和通信能力？
• RQ4 当前推进和材料技术在实现此类任务方面的性能极限是什么？
• RQ5 是否可以通过分阶段、渐进式的发展方法，实现无需突破性技术的星际飞行可行路线图？

主要发现

• 利用地基激光阵列的定向能推进可使克级航天器加速至超过0.25c的速度，使飞往最近恒星的旅程缩短至约20年。
• 所提出的系统可发射质量从克级到超过100,000 kg（100吨）的有效载荷，速度超过1,000 km/s。
• 晶片卫星可配备集成光学通信、成像系统、电源和光子推进器，实现自主运行和数据回传。
• 该路线图基于现有或近期可实现的技术，包括可扩展激光阵列和先进微电子技术，技术上可行。
• 该方法不仅适用于星际任务，还可广泛应用于太阳系内及更远的深空探测。
• 研究表明，从传统化学推进向定向能推进的转变，不仅必要，而且在当前工程技术能力下完全可实现。