星航速度下尘埃撞击的实验模拟

本文探讨了以星航所需速度飞行的航天器与行星际及星际介质相互作用的模拟问题。相对于航天器的动能为 MeV/核子的质子、原子和离子的相互作用本质上是一个溅射问题。更为棘手的是尘埃颗粒（宏观物体，尺度约为 10 nm（$10^{-21}$ kg）至 1 $\mu$m（$10^{-15}$ kg））的撞击，其效应难以计算，因此需要实验。目前实验室中利用静电方法可达到的尘埃颗粒最大速度约为 100 km/s，比星航速度低两个数量级。此前在冲击聚变概念框架下曾考虑实现更高速度，并得出结论认为这在技术上极具挑战性。其原因可从场发射角度加以解释：场发射限制了被加速宏观粒子的荷质比以及加速静电场的电压势梯度，导致对于 $\mu$m 级颗粒，加速器需长达数百至数千公里。由于磁场强度限制，使用环形加速器（回旋加速器与同步加速器）不切实际，对于 $\mu$m 级颗粒其尺寸将达数千公里。电磁发射器（轨道炮、线圈炮）未能产生高于传统气体炮（< 10 km/s）的速度。本文综述了最接近可行、能触及目标抛射体质量与速度区间的技术（串列加速器、大分子加速器）。研究发现，脉冲激光是唯一能够将凝聚态物质加速至接近 1000 km/s 速度的设施，但难以达到更高速度。