强激光束上空间飞行器的稳定性
天体物理仪器与方法
2016-11-15 v4
摘要
突破摄星计划(Breakthrough Starshot Initiative)提出发展利用强激光束辐射压力推进纳米级航天器的概念。若此类纳米飞行器能被加速至光速的20%，则可在我们有生之年抵达最近的可能宜居系外行星附近，捕获其图像并获取其他科学数据。在该项目中，纳米飞行器是一种克级机器人航天器，由StarChip和Lightsail两部分组成。为实现项目目标，必须解决若干突出的科学问题。其中一项任务是确保纳米飞行器在强激光束柱内的位置与朝向稳定。由作用于其Lightsail上的强激光束压力驱动的纳米飞行器，对作用在帆表面上的力矩和侧向力十分敏感。这些力影响航天器的朝向和侧向位移，从而影响其动力学。若不稳定，纳米飞行器可能被推出激光束区域。在为纳米飞行器稳定性研究选择模型时，我们采用若干假设：1. 纳米飞行器构型视为刚体(欧拉方程适用)；2. 圆形帆为平面或凹面形状；3. 激光束从Lightsail表面镜面反射。我们找到了球形和锥形帆的位置稳定性条件。最简单的稳定构型要求将StarChip远离帆，使得到纳米飞行器质心的距离大于帆的曲率半径。稳定性判据不要求纳米飞行器自旋。平面帆绝不稳定(即便自旋亦然)。
引用
@article{arxiv.1610.08043,
title = {On the stability of a space vehicle riding on an intense laser beam},
author = {H. Popova and M. Efendiev and I. Gabitov},
journal= {arXiv preprint arXiv:1610.08043},
year = {2016}
}