地球到火星的星际快速运输任务：利用定向激光能量驱动光帆
摘要：火星的探索和人类在那里建立定居点的兴趣正在迅速增长。为了实现这一目标，需要快速空运关键货物。目前的火星任务需要150天，这对于紧急情况或紧急需求来说时间太长。因此，我们建议采用尖端技术，可以实现20天的运输时间：激光能源驱动的光帆。这种推进方法使用地面激光阵列将连接在光帆上的航天器推向高速，实现比当前任务快得多的任务。通过使用MATLAB模型和激光推进工具，我们可视化并确定了这种任务的最佳轨迹和起飞窗口。我们讨论并展示了这些任务在2030-2032年27个月时间段内的特定发射窗口内是可能的，但也存在实际挑战。在太阳连合期间，这些任务受到太阳距离的限制，但如果放宽了运输时间要求，则在所有轨道相位下均可进行。为了实现20天任务，需要能够产生13 GW的激光阵列，与连合时附近的5kg航天器，但在逆向时只需要0.55 GW。航天器具有双曲线轨迹，在东行期间不受太阳系约束。未来工作的一个挑战是减速和进入、下降、着陆阶段。火星上的激光阵列可以解决其中的一些挑战。通过优化激光阵列和光帆的特性，可以增加航天器的质量能力。多个航天器可以同时提升，以在更低的成本下承载更多有效载荷。这项工作旨在证明可以通过这种任务运输轻负荷。未来可以开发能实现20天任务的技术，并应用于对天体和星际空间的高级任务。
作者：Madhukarthik Mohanalingam (Georgia Institute of Technology: School of Aerospace Engineering) and Christopher Carr (Georgia Institute of Technology: School of Aerospace Engineering and School of Earth and Atmospheric Sciences)
论文ID：2301.02327
分类：Space Physics
分类简称：physics.space-ph
提交时间：2023-01-09