曲率空间望远镜：利用电子帆技术抵达太阳引力透镜的焦点区域

《Advances in Space Research》：Curved Space Telescope: E-sail concept to the solar gravitational lens focal region

　　

Mario F. Palos|Anna Ivanova|Giovanni Mengali|Alessandro A. Quarta|Marco Bassetto|Janis Dalbins|Mihkel Pajusalu|Antti Tamm|Mihails ??epanskis|Perttu Yli-Opas|Iaroslav Iakubivskyi|Pekka Janhunen|Martin Tajmar|Julijanas Zeludevicius|Andris Slavinskis

摘要

本文提出了一种名为“曲率空间望远镜”（Curved Space Telescope，简称CST）的任务概念：利用E型帆推进的航天器抵达太阳引力透镜焦点区域（Solar Gravitational Lens Focus Region，简称SGLFR），凭借其特性能够直接成像系外行星。

“引力透镜”是指天体周围的时空曲率导致经过其附近的光线路径发生改变的现象。被引力透镜聚焦的图像会被投射到一个特定的空间区域，即焦点区域。对于太阳引力透镜（Solar Gravitational Lens，简称SGL）而言，这一效应始于距离太阳约550天文单位（AU）的位置；此时观测条件较为理想，因为图像与太阳日冕明显分离，且噪声较低。随着距离太阳距离的增加（约650天文单位），观测效果进一步提升。

E型帆是一种无需推进剂的推进技术，适用于需要长时间加速的行星际航天器任务。它通过将带电金属缆绳释放到太阳风中，利用太阳风中的带电粒子产生推力。这种推力的衰减速度与距离太阳的距离有关（具体公式为……）。与光子帆相比，E型帆在远离太阳的条件下效率更高。当航天器距离太阳过远，E型帆的推进能力和太阳能电池板的发电量都变得微不足道时，这两种推进系统都会被抛弃以简化操作流程。本文提出的任务方案利用E型帆将航天器送至SGLFR。设计中包括80根长度为26公里、电压高达25千伏的缆绳，轨迹分析预测最终到达目标区域的径向速度为55公里/秒，旅行时间为64.21年。

科学载荷包括一台配备日冕仪的1米口径望远镜。加速阶段通过太阳能电池板发电，滑行阶段则依靠放射性同位素电源系统（Radioisotope Power System，简称RPS）提供能量，该系统可用于进行微小的轨道修正、与地球的通信以及科学观测。通信系统采用直射地球的激光发射器。轨道修正通过场发射电推进（Field Emission Electric Propulsion，简称FEEP）推进器完成。整个航天器的总质量为660公斤。与其他任务方案相比，E型帆能够将更重的载荷送至SGLFR，从而减轻了对其他系统的限制。