突破星击系统模型

突破星击(Breakthrough Starshot)是一项验证超快光驱动纳米飞行器的计划,并为下一代内首次发射至半人马座 Alpha 奠定基础。在此过程中,该项目可为太阳系探测带来重要的附加效益。在这些任务成为现实之前,仍有若干艰巨的工程挑战有待解决。作为星击系统工程的组成部分,已构建一个系统模型。本文介绍该模型并描述其如何计算成本最优的点设计。计算了三种点设计:前往半人马座 Alpha 的 0.2 c 任务、0.01 c 太阳系先驱任务,以及基于真空隧道的地面测试设施。所有设计均假设来自 1.06 {\mu}m 波长光束的光子压力加速一个圆形介质帆。0.2 c 点设计假设激光为 $0.01/W、光学为 $500/m$^2$、储能为 $50/kWh,以使地面光束导向器的资本成本达 $8.0B。相比之下,加速每面帆所需能量为 $6M。光束导向器资本成本由直径 4.1 m、加速 9 分钟的帆实现最小化。0.01 c 点设计假设激光为 $1/W、光学为 $10k/m$^2$、储能为 $100/kWh,以使光束导向器资本成本达 $517M,且每面直径 19 cm 的帆加速能量成本为 $8k。地面测试设施假设激光为 $100/W、光学为 $1M/m$^2$、储能为 $500/kWh,以及 $10k/m 真空隧道。为达到足以从地球逃逸太阳系的速度 20 km/s,需 0.4 km 真空隧道、22 kW 激光及 0.6 m 直径望远镜,总成本为 $5M。该系统模型预测,最终星击可扩展至推进探测器超过 0.9 c。