最近提交给ActaAstronautica的一项研究(目前可在arXiv预印本服务器上获取)探索了使用航空石墨太阳帆前往火星和星际空间的潜力，这可以大大减少此类任务所需的时间和燃料。

太阳帆仅需26天即可到达火星

这项研究是在许多组织正在进行对太阳帆的使用的研究以及行星协会成功的LightSail2任务的同时进行的，并且具有为长期太空任务开发更快、更高效的推进系统的潜力。

马克斯·普朗克太阳系研究所的天体物理学家、该研究的合著者雷内·海勒博士表示：“太阳帆推进器具有在整个太阳系快速输送小型有效载荷(亚公斤)的潜力。”，告诉《今日宇宙》。“与传统的化学推进相比，这听起来小得离谱。但太阳帆技术的关键价值是速度。”

与传统火箭依靠化学物质燃烧形式的燃料向航天器后部施加外力不同，太阳帆不需要燃料。相反，它们使用阳光作为推进机制，因为巨大的帆捕捉太阳光子，就像风帆在水面上航行时捕捉风一样。太阳帆展开的时间越长，捕获的太阳光子就越多，从而逐渐提高航天器的速度。

在这项研究中，研究人员模拟了由质量达1公斤(2.2磅)的气石墨制成的太阳帆(其中包括720克、横截面积为104平方米的气石墨)能够以多快的速度到达火星和地球。星际介质，也称为日球层顶，使用两种来自地球的轨迹，分别称为直接向外传输和向内传输方法。

前往火星和日球层顶的直接向外转移方法都涉及太阳帆直接从绕地球的极地轨道展开和离开。研究人员确定，在太阳帆部署和离开地球时，火星处于冲日位置(与太阳直接相对的地球)将在速度和旅行时间方面产生最佳结果。

同样的极轨道部署和离开也用于日球层顶轨迹。对于向内传输方法，太阳帆将通过传统的化学火箭被运送到距太阳约0.6个天文单位(AU)的地方，太阳帆将在此处展开​​并开始前往火星或日球层顶的旅程。但是，航空石墨太阳帆如何使这一旅程变得更加可行呢?

德累斯顿工业大学研究助理、该研究的主要作者JuliusKarlapp告诉《今日宇宙》：“气石墨的密度低至每立方米0.18公斤，其性能比所有传统的太阳帆材料都要低。”“例如，与聚酯薄膜(金属化聚酯箔)相比，其密度小四个数量级。假设太阳帆产生的推力直接取决于帆的质量，则产生的推力要高得多。除了加速优势之外，空气石墨的机械性能也令人惊叹。”

通过这些模拟，研究人员发现直接向外转移方法和向内转移方法导致太阳帆分别在26天和126天到达火星，其中前103天是从地球到0.6天文单位部署点的旅行时间。

对于前往日球层顶的旅程，两种方法分别需要5.3年和4.2年，向内转移方法的前103天也专门用于从地球到0.6个天文单位的部署点的旅行时间。使用向内转移方法能够更快地达到日球层顶的原因是太阳帆在300天时达到最大速度，而使用向外转移方法大约需要两年才能达到最大速度。

目前前往火星的旅行时间在7到9个月之间，这种情况仅在每两年的指定发射窗口期间发生，同时依赖于任何前往或来自火星的航天器在发射和抵达时两颗行星的位置对齐。可以使用NASA的Voyager1和Voyager2探测器估算当前到达日球层顶的旅行时间，这两个探测器分别在大约35年和41年到达日球层顶。

研究人员指出，使用太阳帆的一个主要问题是到达目的地(特别是火星)时减速或减慢速度，虽然他们提到航空捕获是一种解决方案，但他们承认这仍然需要进一步研究。

“双曲线轨迹的航空捕获机动(例如从地球飞往火星)利用大气层逐渐降低由于阻力而产生的速度，”德累斯顿工业大学空间系统教授兼物理学家马丁·泰马尔博士说。该研究的作者告诉《今日宇宙》。

“因此，进入火星轨道所需的燃料较少。我们使用这种制动机动来消除对额外制动推进器的需求，从而减少航天器的质量。我们目前正在研究哪些替代策略可能适合我们。然而制动方法只是我们目前面临的许多不同挑战之一。”

虽然太阳帆技术早在20世纪70年代就已由NASA提出，但太阳帆技术的最新例子是NASA太阳巡洋舰，目前计划于2025年2月发射。