“伊卡洛斯”的遐想——材料起源、发展及其未来.docx

“伊卡洛斯”的遐想 “材料起源、发展及未来”课程论文姓名：梁星 学号：13120075 班级：材料学院无机非金属卓越班摘要：本文围绕日本宇航开发机构实施的“伊卡洛斯”（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun）计划，即太阳辐射驱动星际驱动风筝计划，论述了材料科学对这一革新性的飞船所起的关键作用，并阐述了航天材料未来的多种可能性。关键词：“伊卡洛斯”、光子推进、薄膜材料、液晶材料引言：2010年5月21日，日本将名为“伊卡洛斯”的以光压作动力的飞船送入了太空，经历了七个月到达了金星，证明了依靠光能驱动的空间探测器完全可行。而这一突破性的创举最关键的部件就是与材料科学紧密相关的太阳帆，可以说是材料科学的力量使“伊卡洛斯”在太空自给自足、自由飞行。正文“伊卡洛斯”是一艘极其怪异的宇宙飞船，其设计价值闻所未闻：它有一张200平米的太阳饭，依靠宇宙中的光能驱动！事实上，这个构想源自20世纪70年代美国国家航天局（NASA）。即设计出一种材料太阳帆，使其利用光子产生的光压（辐射压）推动风帆前进。由于其优越性显而易见，所以，21世纪日本航天工作者决定启动“伊卡洛斯”计划。而这一计划首要难题就是太阳帆的研制。不妨从三千多年前中国的风筝说起。这个大家伙（14平方米，7.5微米，仅15千克）就像是宇宙空间中一个大风筝（如图），只不过这个风筝用的“风”是太阳光能。古时代的中国发明了风筝，当时古人使用的材料仅仅是竹子和细绸，随着时间的推移，技术的进步，风筝也在发生着各种变化，结合现代科技塑料以及碳纤维复合材料的使用，风筝脱胎换骨成了我们现在所熟悉的模样和结构。同样，在将近四十年前发起的“代达罗斯”航行研究就使用了当时所能提供的最先进的材料以及技术运用，比如高密度的耐高温金属合金、使用低温超导体创建磁场和涡轮电力系统对飞船的供应等等。而从那时起，几乎所有人类涉及领域的新材料都被纳入航天科技的视线，例如，碳的同素异形体、高温超导材料和热点性能材料，这些应用于建筑、电力以及发电站的新型材料都被用于解决星际航行的问题。首先，风筝是一种利用空气动力学的古老的飞行器，而作为飞行器，有一点不变的要求就是材料的所组成的整个飞船的质量要尽量轻。虽然，星际航行中没有空气阻力，但是从材料上入手，从而降低飞船质量并提供足够的推重比，以产生更大的加速度，从而可以在更短的时间里完成航行任务。比如伊卡洛斯这样的飞船，“如果光子持续推动，三年后，它的飞行速度将达到24万千米/时，也就是说可以在1小时内绕地球6圈，以这个速度它可以在5年之内到达冥王星。”无疑，这是惊人的。那么，怎么研制这样一种极轻且相当柔软坚韧的薄膜材料。最终日本工程师选择了一种常用与卫星隔热的高科技塑料聚酰亚胺 (Polyimide)。聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的一类聚合物，目前已经工业化的高分子材料中耐热性最高的品种，其优异的电气性能、阻燃性能、耐高温和耐辐射性能，作为高性能绝缘材料广泛应用于航空航天工业。而近来，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入21世纪最有希望的工程塑料之一。所以高新材料解决了这一首要问题。太阳帆不光直接利用光能，还可利用帆上嵌入的25微米厚的光伏电池转化光能，以便为飞船提供初始动力的离子发动机所需的运转能量，以及其他机载设备、通信设备、传感器和测量仪器所需的能量，这且按下不表。接着就是和风筝类似的关键问题转向。由于材料运用得当，这艘飞船仅重310千克，而终极挑战则是如何远程操控探测器使它的姿态和航行正确。日本工程师想到了一个绝妙的办法：让太阳帆成为方向舵。它的原理是在方形帆两端施加不同的推力就像帆船改变风帆受风角度、控制帆船航向一样。具体操作是在太阳帆四边装四块液晶带，通过控制带上电流，调节液晶带接收到光子的数量，以改变帆边缘所受的光压，进而实现转舵。液晶，即液态晶体（Liquid Crystal，LC），是相态的一种，是介于液态和固态之间的有序流体，具有流动性、连续性、各向异性等性质。而这里用到的是它优异独特的电光效应。液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。简单来说，我们可以通过电流控制液晶的方向，是它们以不同的方式反光。当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。通常来说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。这样“风筝”转向的问题就被轻松解决了。在材料科学的发展形势下，航空航天材料越发先进，新的材料不断被制造、被依据人的意愿开发，如“伊卡洛斯”中就集中了很多高精尖的材料技术，除了上例，发射飞船的火箭表面材料、发动机内部材料等等都是如此，运用最符合需要的特种材料满足特定的应用环境，这就是材料科学对航天的最大贡献。“伊卡洛斯”是人类实践新理念的一个开始，是材料科学用无形的手打开了通往遥远星系的罗生门，相信未来航空