第 2.8 节 - 光子引擎
有各种各样的推进技术，它们利用内部产生的或外部提供的的光子进行推进。当然，恒星是光子的天然来源，但也可以使用足够强度的光束的人造光源。光子没有质量，以最大可能的速度传播。因此，它们在理论上具有最高可能的排气速度。同样地，由于没有质量，它们传递的动量并不多。
如上所述，光传递的动量并不多。因此，以下方法通过最大化面积质量比来达到有用的推力水平。较大的面积增加了相对于质量的推力。由此产生的结构类似于陆地上的帆。
其他名称：光帆
类型：光子偏转产生的太阳能通量
描述：例如来自太阳的星光，反射在一个大面积帆上产生一个力，因为光子的动量被反转了。垂直（法向）反射的力为
- (1+r)(E/c) ，
其中 r 是帆的反射率，E 是入射光功率，c 是光速。因此，即使是完全吸收的表面也会受到光压，但反射的表面性能会提高一倍。没有真正的表面是完全反射的，因此帆的分析需要考虑实际的光学特性。在帆与光源不垂直的角度，净力具有来自入射光的直接分量，以及取决于帆表面特性的反射或漫反射分量。对于反射，入射角和反射角相对于反射平面相同。漫反射分量是粗糙表面散射到各种角度的光。由于方向的扩散，力会减少一个余弦因子。
吸收的光分量最终通过黑体辐射重新辐射。如果这从帆的两侧均匀发生，则不会产生净推力。涂层可以改变每一侧的发射率，从而产生净推力。对于高性能帆，涂层会增加太多质量。最终，使用高反射率的裸金属箔并忽略未反射的小部分会更好。厚度低到部分透明，以及小于典型光波长的微孔可以进一步降低重量，而不会显着降低反射率。制造、安装和操作极薄的箔帆将是一个挑战。可见光最佳的质量反射率材料是铝镁合金。尽管质量更大，但钨等难熔金属箔可以在更高的温度下使用。因此，它们可以用于更靠近恒星的地方，那里光强度更高，并产生更大的推力。这可用于向外星系任务的初始推动。帆的形状可以通过支柱和拉力线来维持，或者通过旋转和光压的平衡来维持，或者两者结合。
在地球到太阳的距离上，入射功率为每平方公里 1370 兆瓦。这为高反射率帆产生约 8 牛顿/平方公里的力。太阳帆的吸引力在于它们不使用燃料，原则上，在小行星的情况下，反射器可以用当地的金属制成。缺点是除非你建造得非常大，否则推力很低，角度控制有限，以及推力与距源星距离的平方反比关系。
状态：截至 2012 年，已经尝试过几次帆的试飞，取得了不同的成功。任何暴露在阳光下的物体都会受到光压力的作用，但大多数航天器每单位面积的质量都不够低，无法使该力成为其运动的主要校正。
变体
- 66a 引力牵引机 - 在这种变体中，帆不连接到您要移动的小行星等货物。物体的相互引力固定了帆。这样做的原因是不必设计连接帆的方法，并允许帆在限制较少的情况下自行机动。
参考文献
- 维基百科文章 - 太阳帆
- Marchal, C., 太阳帆和 ARSAT 卫星 - 科学应用和技术，L'Aeronautique et L'Astronautique，第 127 号，第 53-7 页，1987 年。
- Friedman, Louis, 星帆：太阳帆和星际旅行，Wiley，纽约，1988 年，146 页。
其他名称
类型：光子偏转产生的激光
描述：高功率激光器瞄准目标帆。光子束反射在帆材料上。光子的反射反转了其垂直于帆的分量动量矢量。根据守恒定律，帆获得动量。激光帆的性能可能高于太阳帆，因为激光束强度不像局部星光那样受限，并且可以在更长的距离内聚焦。帆可以设计为优化激光波长的反射率。这种方法仍然受到帆过热和缺乏用于有用任务的足够强大激光的限制。
先进的星际任务概念已经提出了用于长距离聚焦的非常大的相位板型透镜。另一个先进的概念是使用两张帆减缓车辆的速度，通过释放第一张帆并利用它将光反射回第二张较小的帆。
状态：截至 2012 年尚未测试，这主要是由于缺乏强大的激光器。在这种情况下的兆瓦级激光器并不强大。
变体
参考文献
- Forward, Robert L., 使用激光推动光帆的往返星际旅行《航天器与火箭杂志》，第 21 卷，第 187-195 页，1984 年 1 月至 2 月
- "LightSail 项目文档"
- "激光推动光帆"
- 用于航天器推进的菲涅耳板透镜。Gregory L. Matloff。《深空探测器：到太阳系外层及更远的地方》。第 7.5 节 菲涅耳透镜：改进激光准直的一种方法。第 103 页。
- "深空探测器：到太阳系外层及更远的地方"；"星际飞行的激光技术"；"星际帆的关键问题"。
其他名称：星尘
类型：光子偏转产生的束状微波
描述：在这种方法中，微波反射在一个非常薄的开放式金属丝网格上。反射在网格上的微波光子的动量变化提供了推力。因为细金属丝的开放式网格可以具有非常低的重量，所以理论上这种推进方法可以提供高加速度。在可行的功率水平下，货物质量仍然很小。这种方法的一个很好的用途是输送纳米工厂，然后这些工厂可以建造更大规模的基础设施。光束可以提供能量来操作目的地处的工厂。这与非运输微波能量输送概念相关。
状态：产生大量微波功率是众所周知的。将其在太空中聚焦在有用的距离内，以及建造轻质帆材料则不是。
变体
参考文献
这组方法涉及从车辆内部发射光子，而不是反射外部光源的光子。与光子反射一样，光子携带的动量不多，因此它是一组低推力概念，尽管排气速度是最大可能的。它可以通过辐射器废热的定向发射作为其他推进方法的补充。
其他名称：核光子火箭
类型：光子发射核反应堆
描述：一个发热装置，例如核反应堆，位于抛物面反射器的焦点处。热光子被聚焦成近乎平行的光束，推动飞行器前进。另一个高能来源是物质-反物质反应，它被重金属毯吸收并转化为热能。这种方法可能不实用，因为发射光子比直接发射能量源的反应产物产生的动量更小。除了反应产物外，使用定向散热器来去除多余的热量可能值得考虑。在这种情况下，它会提高总效率。
状态：截至2012年尚未测试
变体
参考文献
其他名称：星际驱动
类型：光子发射太阳能通量
描述：这类似于之前的热光子反射器方法，只是整个恒星位于光帆云的焦点处，光帆云由重力和光压平衡。由于重力和光强都与恒星距离的平方成反比，因此在任何距离处，特定厚度的帆都将保持平衡。恒星的光度与其质量之比将决定厚度。恒星的光谱和所需的帆距离将决定帆的材料。通过将光向一个特定方向而不是像自然恒星那样向所有方向对称地发射，帆将恒星转化为不平衡的光发射器，从而为恒星+帆组合产生净推力。
与恒星垂直方向略微呈二面角的光帆将使光线偏离恒星本身，并且在方向上是稳定的。不将光直接反射回恒星的平面帆效率略高，因为恒星不会吸收任何光，但会使其自身侧向加速。因此，这种类型的光帆必须定期改变其方向以保持位置。非平面的帆，例如浅锥体，可以使光线偏离恒星而不发生漂移。
举一个数值例子，地球与太阳距离处的光帆产生约8牛顿/平方公里。该距离处的太阳加速度为0.006米/秒^2。因此，如果您的帆质量为1330公斤/平方公里，则光压将平衡重力。如果由铝制成，则需要0.5微米厚。如今市售有这种厚度的薄膜。反射10%太阳输出的光帆云的面积将为28 x 10^15平方公里，质量为37.5 x 10^15吨（最大小行星谷神星质量的3.7%）。这样的光帆云将产生225 x 10^15牛顿的推力，并使太阳每百万年加速3.5米/秒。
这种类型的引擎的用途包括调整双星或多星系统的轨道，逃离未来的超新星，以及通常在星系内或星系之间移动恒星。这种方法的物理原理很简单。挑战在于规模，以及它产生的极慢的加速度，因为恒星的质量非常大。请注意，移动恒星通常不会带上围绕恒星运行的天体，它们需要自己的推进系统。
- 移动行星 - 这种方法更实用的（相对而言）用途是移动行星，因为它们的质量要低得多。帆将由行星而不是恒星的重力固定。更大的辅助帆云将比它们自己收集到的更多阳光引导到固定帆上。对地球进行此操作的一个原因是，由于核心核聚变速率的增加，太阳每10亿年亮度增加10%。因此，如果您想保持地球宜居，则需要缓慢地将其向外移动。或者，如果您想使金星更宜居，您可以将其移至小行星带，在那里，过量的温室效应将成为优势而不是劣势。这仍然可能是一种缓慢的方法。使用大型小行星或太阳系外围天体的引力助推机动将更快。与航天器的引力助推不同，在这种情况下，进行飞越的天体质量足够大，可以影响行星的轨道。如果使用气体巨星等次级天体来吸收轨道变化，则可以多次使用飞越天体来移动小行星，而无需消耗太多能量。
状态：距离测试非常遥远。可能甚至没有在科幻故事中使用过。
变体
参考文献
其他名称：红移火箭
类型：光子发射反物质
描述：飞行器后方反物质湮灭产生的伽马射线可以被厚厚的一层重金属吸收。伽马射线光子的动量产生推力。与其他光子引擎一样，直接使用衰变粒子可能更有效，因为它们的质量更大，并且可以更好地引导，但使用伽马射线作为补充是有意义的。
状态：目前处于理论阶段，因为反物质仅在粒子加速器中以微量产生。
变体
参考文献
在这种方法中，使用反射腔来增加光压。在一个布置中，激光发出特定频率的光，并且封闭腔的壁和飞行器后端被设计成对该频率具有高反射率。在另一种布置中，没有封闭腔，并且在一片镜子的前面放置了激光增益介质。飞行器携带第二面镜子，并且这两面镜子加上增益介质形成了一个激光放大器，恰好发生在能量源和飞行器之间存在一个大的真空间隙。在这两种情况下，光都会多次反射，直到最终被吸收或散射，每次反射都会增加一个动量增量。波长可以适应物理尺寸，例如，如果它产生有效的反射，则可以使用微波而不是激光。多次反射将在光子反复从运动的飞行器上反射时通过红移提取光子的能量。如果发生足够多的反射和足够高的弹体速度，光将红移到一个无法有效反射的波长，或者仅仅损失大部分能量，从而结束动量传递。
参考文献