相对论性航天器与星际介质的相互作用

突破摄星计划旨在将克级航天器加速至 $v\sim 0.2$c 的速度，使其能够在约 20 年内抵达最近的恒星系统 $\alpha$ 半人马座。然而，该计划面临的一个关键挑战是星际气体和尘埃在旅程中对航天器造成的损伤。本文量化了相对论性航天器与星际介质中气体和尘埃的相互作用。对于气体轰击，我们发现重元素导致的径迹形成损伤是一个重要效应。我们发现，对于石英材料，在前往 $\alpha$ 半人马座的路径上穿越气体柱密度 $N_{\rm H}\sim 2\times 10^{18}\rm cm^{-2}$ 后，气体轰击可能损伤航天器表面至约 0.1 毫米的深度，而对于石墨材料，该效应则弱得多。尘埃轰击的效应是侵蚀航天器表面，并因表面原子的爆炸性蒸发而产生大量陨石坑。对于航天器速度 $v=0.2c$，假设星际介质的标准气尘比，我们发现当航天器扫过柱密度 $N_{\rm H}\sim 3\times 10^{17}\rm cm^{-2}$ 后，尘埃轰击可侵蚀约 0.5 毫米厚的表面层。尘埃轰击还通过熔化改变材料结构，从而损伤航天器表面。我们计算了由气体原子碰撞加热导致的平衡表面温度，以及随航天器深度变化的温度分布。我们的定量结果为损伤控制提出了方法建议，并强调了屏蔽策略和保护航天器的可能性。