High Speed AB-Solar Sail
太阳帆是一种用于收集太阳光压力的大型薄膜，用于空间设备的移动。不幸的是，太阳辐射压力非常小，在地球轨道上约为9 mkN/sq.m。然而，在太阳附近，光力显著增加至0.2 - 0.35牛顿/平方米。作者提供了他对一种新的革命性的高反射太阳帆的研究，该太阳帆在太阳附近飞行（经过特殊机动），并达到400公里/秒的速度，并在短时间内到达太阳系的远行星或使太阳系外的飞行成为可能。新的，高反射率的帆镜可以避免太阳帆的强烈加热。它可能对靠近太阳、水星和金星的探测器有用。关键词：AB型太阳帆，高反射太阳帆，高速推进。
2007-01-08 physics.gen-ph physics.space-ph
Boltzmann electron PIC simulation of the E-sail effect
太阳风电帆（E-sail）是一种计划中的太空推进装置，它利用自然的太阳风动量通量，在长的、带电的、离心拉伸的系绳的帮助下推进航天器。然而，准确预测E帆推力的问题仍然有些开放，这是由于系绳可能捕获的电子数量。在这里，我们开发了一种新型的粒子在细胞（PIC）模拟预测E帆推力。在新的模拟中，电子被建模为流体，因此类似于混合模拟，但与正常的混合模拟相比，泊松方程被用于正常PIC计算自洽静电场。对于电子排斥部分的潜力，玻尔兹曼关系被使用。对于吸引电子的部分的潜力，我们采用幂律，其中包含一个参数，可以用来控制被困电子的数量。我们进行了一组运行不同的参数，并选择一个与最小数量的被困电子仍然表现在物理意义上有意义的方式在这个意义上产生不超过一个太阳风离子偏转冲击上游的系绳。通过这个公式，我们得到的每系绳长度的推力值与以前的估计一致，虽然有点小。我们认为，Boltzmann PIC模拟是模拟E帆推力的一种新工具。该工具使我们能够快速计算解决方案，并允许轻松研究捕获电子的不同情况。
2015-12-17 astro-ph.IM physics.space-ph
SETI via Leakage from Light Sails in Exoplanetary Systems
火箭推进的主要挑战是需要加速航天器自身燃料的负担，导致在向航天器添加推进剂时最大速度仅以对数增益。光帆提供了一个有吸引力的替代方案，其中燃料不是由航天器携带的，加速是由外部光源提供的。通过用光束辐射人工照射航天器，速度只受帆的面积、材料的耐热性和加速装置的功率使用的限制。在本文中，我们表明，从光帆推进装置在太阳系模拟周围的操作泄漏将是可检测的。为了证明这一点，我们建立了一个微波束驱动的光帆的发射和到达模型，该光帆是为了在围绕一颗恒星的轨道上的行星之间过境而建造的，并找到了几十GHz量级的最佳光束频率。这些光束的泄漏会产生通量密度为Jy的瞬变，在100秒/秒时持续时间为数十秒。由于行星系统内的大多数旅行都是在该系统内的可居住世界之间进行的，因此多重凌日的系外行星系统提供了最大的探测机会，特别是当行星在地球上的投影结合时。如果通过光束驱动的光帆进行行星际旅行在我们的银河系中很普遍，那么这种活动可以通过对附近凌日系外行星系统的无线电跟踪来揭示。预期的信号特性定义了搜寻地外文明（SETI）的新策略。
2015-09-03 astro-ph.IM physics.space-ph
Exploring the Kuiper Belt with Sun-diving Solar Sails
我们讨论了一种可能性，调查许多柯伊伯带天体（KBO）的一次发射使用几个小规模的航天器，每个配备有太阳帆，这可以从一个单一的行星际巴士在近日点的工艺品的太阳轨道展开。每个小型航天器将携带一个科学有效载荷，并将被引导与一个或多个KBO相交。拟议的设想如下：帆作为有效载荷被携带到相对较小的日心距离（0.1 - 0.3 AU）。一旦到达近日点，船帆就会展开。除了由于太阳辐射产生的电磁推进之外，另一种机制可能是方便的：热解吸，这是一种质量损失的物理过程，可以提供额外的推力，因为加热释放嵌入太阳帆表面的原子。因此，由于热解吸作用，帆会经历额外的推进力，这大大增加了帆每年行驶的距离。
2018-09-30 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.pop-ph
Numerical simulation of a rotating magnetic sail for space applications
针对磁帆尺寸与捕获效率的平衡问题，提出带初始转速的新型旋转磁帆，经三维粒子模拟验证其推力随转速提升，在近地高密度等离子体轨道应用潜力突出。
2023-05-07 physics.app-ph physics.space-ph
Trajectory design and optimization of a solar sail sun probe
本文研究使用太阳帆作为太阳探测器，通过表面约束方法设计并优化其在偏移球面上运动的轨迹，发现增加任务阶段数可缩短总飞行时间，调整时钟角能避免方向反转使其直接接近太阳。
2023-09-12 astro-ph.IM physics.space-ph
Experimental demonstration of corrugated nanolaminate films as reflective light sails
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC)（微电子研究中心）；California Institute of Technology（加州理工学院）；University of California at Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Leonardo DRS Daylight Solutions（莱昂纳多DRS日光解决方案公司）；Exponent, Inc.（艾克逊特公司）；Singh Center for Nanotechnology（辛格纳米技术中心）；Databuoy Corp.（数据浮标公司）
本文展示了一种新型光学优化纳米叠层帆，具有强且柔韧的六边形凹槽微结构，实现了超低面密度和高反射率，为星际航行提供了新可能。
2025-08-07 physics.optics physics.space-ph
Science opportunities with solar sailing smallsats
本文提出Sundiver太阳帆小型卫星概念，利用太阳帆推进实现快速、低成本、可脱离黄道面的深空探测，并给出技术与政策建议。
2023-07-19 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Solar sail with superconducting circular current-carrying wire
背景资料：太阳帆是由一大片低面密度的薄膜构成，是未来探索太阳系及更远地区最优雅的无推进剂推进系统。到目前为止，帆膜展开策略的研究已经引起了相当大的关注。目标：在这项工作中，我们提出了圆形太阳帆的部署和伸展的想法。我们考虑了附着在薄膜上的超导电流回路，以开发一种新的太阳帆部署方法，并预测超导电流回路可以部署和拉伸圆形太阳帆膜。方法：在基于经典电动力学和弹性理论的严格数学框架内，分析了太阳帆薄膜和金属丝环的超导电流回路感应磁场和弹性特性。导出了超导导线中电流引起的导线和帆膜应力和应变的计算公式。结果：所得到的解析表达式适用于各种太阳帆尺寸。本文对厚度为3.5 $μm$的CP 1膜与截面半径为0.5 ~ 10 mm的Bi $-$ 2212超导线材制成的半径为5 ~ 150 m的帆进行了数值计算。对100 A/mm $^{2}$至1000 A/mm $^{2}$的工程电流密度进行计算。结论：我们的计算表明，所提出的想法的太阳帆部署的未来探索深空的轻压力推进剂的装置的可行性。
2021-07-27 cond-mat.other physics.class-ph physics.pop-ph
'Oumuamua as a light sail -- evidence against artificial origin
`Oumuamua是第一个被探测到的太阳系星际访客，其轨道显示出非重力加速度。排除了其他的推进方式，比如物质通过彗星尾巴蒸发，有人认为辐射压力是造成这种加速的原因。因此，该物体的质量必须约为40吨，鉴于其尺寸，如果与地球的岩石/铁成分相似，`Oumuamua必须有~1毫米的厚度。这提出了一种广为宣传的可能性，即“Oumuamua”是人造的，是由外星文明故意发送到星际空间的，然而，这一结论依赖于一种常见的误解，即光（太阳能）帆可以加速到光速的相当一部分，允许快速的星际旅行。我们表明，这样的速度是无法达到的概念人造帆，并根据其观察到的参数，'Oumuamua将需要5亿年才能从其最近的可能起源系统到我们的太阳系。这些宇宙学时间尺度使它不太可能是外星文明发送的探测器。
2021-05-19 astro-ph.EP physics.app-ph physics.pop-ph
Passivity-Based Robust Shape Control of a Cable-Driven Solar Sail Boom for the CABLESSail Concept
University of Minnesota（明尼苏达大学）
本文提出基于被动控制的鲁棒控制器，用于精确控制CABLESSail概念中柔性缆驱动太阳帆支架的形状。
2025-10-18 cs.SY eess.SY physics.space-ph
Chasing Nomadic Worlds: A New Class of Deep Space Missions
本文估计了游牧世界的丰度，发现其遵循幂律分布，并系统分析了利用近未来推进系统（如电帆、激光帆等）在50年内探索这些天体的可行性，凸显了深空探索潜力。
2023-09-05 astro-ph.EP astro-ph.GA physics.space-ph
Molecular Hydrogen bubbles formation on thin vacuum deposited Aluminum layers after proton irradiation
金属是航天技术中最常用的材料。金属结构在太空中使用时，会受到电磁辐射和粒子辐射的全光谱影响。因此，它们会退化。未来的空间飞行任务计划在行星际空间进行，在行星际空间中，太阳风的质子对金属表面具有很强的破坏作用。不幸的是，它们的真实降解行为在很大程度上是未知的。我们的目标是预测材料在这种破坏性环境中的行为。因此，理论和实验研究都在德国不来梅的德国航空航天中心（DLR）进行。在这里，我们报告这些研究的理论结果。我们研究了金属表面上氢气泡的形成过程。氢气泡是充满氢分子气体的金属帽，由金属自由电子和太阳质子的复合过程产生。提出了汽泡生长的热力学模型。我们的模型预测，例如，增长的速度和由气泡填充的箔的反射率。气泡的形成不可逆地改变了辐照金属的表面质量。薄金属膜对这种降解过程特别敏感。例如，它们被用于太阳帆推进技术。该技术的效率取决于帆材料的热光特性。因此，在规划长期太阳帆飞行任务时，必须考虑到气泡的形成过程。
2014-05-29 physics.space-ph
Universal scaling relation for magnetic sails: momentum braking in the limit of dilute interstellar media
激光推进研究的最新进展大大推进了在几十年内实现星际空间飞行的前景。在这里，我们研究被动减速通过电离星际介质的动量制动。由于星际密度低，需要非常大的面积与质量的关系，大约每$\mathrm{cm}^{3}$ 0.1个粒子或更低，这可能通过超导线圈产生的磁帆来实现。积分星际质子击中毕-萨环的运动方程，我们评估的有效反射面积$A(v)$的速度$v$的工艺。我们发现，数值数据拟合超过两个数量级的缩放关系$A(v)\ =\ 0.081A_R\log^3(I/(βI_c))$，其中$A_R=πR^2$是裸帆面积，$I$的电流和$β=v/c$。临界电流$I_c$为$1.55\cdot10^6$安培。由此产生的通用减速剖面可以进行分析评估，并优化任务参数，以达到最小的飞行器质量。对于一个样本高速过境比邻星的情况下，我们发现，磁动量制动将涉及令人生畏的质量要求的顺序$10^3$吨。对Trappist-1系统的低速飞行任务可以在另一边用一个1.5吨重的航天器实现，这将进一步符合目前设想的定向能发射系统的规格。然而，延长的巡航时间为$10^4$年的数量级意味着，对Trappist-1系统的飞行任务只适用于与时间限制无关的飞行任务概念。
2018-05-09 astro-ph.IM physics.space-ph
Project Lyra: Sending a Spacecraft to 1I/'Oumuamua (former A/2017 U1), the Interstellar Asteroid
在我们的太阳系中观察到的第一个明确的星际物体1 I/'Oumuamua（以前是A/2017 U1）提供了直接研究其他恒星系统材料的机会。这些物体能否被拦截？在合理的时间范围内到达该物体的挑战是艰巨的，因为它具有约26公里/秒的高日心双曲超高速，比迄今发射的任何飞行器都快。本文介绍了对1 I/'Oumuamua和潜在类似物体的飞行任务的潜在近期选择的高级别分析。在5-10年的合理时间范围内向1 I/'Oumuamua发射航天器，要求双曲线太阳系的超高速在33 - 76公里/秒之间，任务持续时间在30 - 5年之间。不同的任务持续时间和它们的速度要求进行了探讨，相对于发射日期，假设直接脉冲转移到拦截轨道。对于使用动力木星飞越结合使用固体火箭助推器和帕克太阳能探测器热屏蔽技术的太阳能奥伯特机动的任务，如果在2021年发射，猎鹰重型发射器将能够向1 I/'Oumuamua发射数十公斤的航天器。额外的土星飞越将允许发射新视野级航天器。还概述了进一步的技术选择，包括电力推进和更先进的选择，如激光电力推进，太阳能和激光帆。为了最大限度地提高科学回报率，在'Oumuamua减速航天器是非常可取的，因为超高速相遇的科学回报率最低。电帆和磁帆可用于此目的。得出的结论是，虽然达到目标是具有挑战性的，似乎有可行的选择基于当前和近期的技术。
2018-10-19 physics.space-ph
Project Lyra: Catching 1I/'Oumuamua Using Nuclear Thermal Rockets
在我们的太阳系中观察到的第一个明确的星际物体于2017年10月被发现，随后被命名为1 I/'Oumuamua。除了太阳系外的起源，对该天体的观测和分析还表明了一些不寻常的特征，这些特征只能通过现场勘探来解释。为此目的，提出了各种航天器拦截任务。他们的推进方案是化学的，利用木星和太阳Oberth机动（任务持续时间为22年），并使用地球激光器推进激光帆（1-2年），两者都在2030年发射。对于前者，任务持续时间相当长，对于后者，必要的激光基础设施可能到2030年还没有到位。在这项研究中，核热推进（NTP）还没有成为现实，就真正的任务而言，但由于它的研究和开发在美国宇航局漫游者/NERVA计划，实际上有一个更高的TRL比激光推进。研究了各种固体反应堆堆芯方案，使用直接来自NASA计划的发动机，或更先进的方案，如拟议的粒子床NTP系统。由于比冲至少是化学火箭的两倍，NTP为更高的ΔV预算提供了机会，从而可以利用更简单、更直接、更省时的轨道。例如，一个带有升级的NERVA/Pewee级NTP的航天器沿着地球-木星-1I轨道飞行，将在2031年发射后的14年内到达1 I/'Oumuamua。1 I/'Oumuamua的有效载荷质量约为2.5公吨，但通过研究一些更先进的NTP选项，可以实现更大的质量和更短的任务持续时间。在所有4个不同的建议NTP系统和5个不同的轨迹方案进行了检查。
2020-08-12 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
Low-cost precursor of an interstellar mission
太阳光子压力为太阳系中的航天器提供了一个可行的推力来源。理论上，它也可以使星际任务，但一个非常小的质量每截面面积是需要克服太阳引力。我们确定了航空石墨，一种密度为0.18 kg/m^3（比铝轻15，000倍）的合成碳基泡沫，作为一种多功能材料，可在阳光下高效推进。在行星际空间中，一个外壳厚度为eps_shl = 1 mm的空心石墨球在太阳辐射的作用下可以进入星际空间。eps_shl = 0.5mm的石墨壳体在距太阳1AU处发射后，在60天内到达火星轨道，在4.3年内到达冥王星轨道。在0.04天文单位（帕克太阳探测器最接近的距离）释放一个空气石墨空心球，其外壳厚度为1微米，导致逃逸速度接近6900公里/秒，距离我们最近的恒星Proxima Centauri 185年。使用JWST可以在距离太阳2 AU的火星轨道之外观察到一米大小的航空石墨帆的红外特征。一个eps_shl = 100微米，半径为1 m（5 m）的空心球状石墨重230 mg（5.7 g），星际逃逸的质量余量为2.2 g（55 g）。有效载荷余量是航天器质量的十倍，而化学星际火箭的有效载荷通常是火箭重量的千分之一。简单的通信将使行星际介质的研究和对可疑的第九行星的搜索成为可能，并将作为半人马座阿尔法星的先驱任务。我们估计原型开发成本为100万美元，每个帆的价格为1000美元，总成本<1000万美元，包括发射搭载式概念的行星…
2020-07-25 astro-ph.IM physics.space-ph
