第 2.8 節 - 光子引擎
有各種各樣的推進技術，它們利用內部產生的或外部提供的的光子進行推進。當然，恆星是光子的天然來源，但也可以使用足夠強度的光束的人造光源。光子沒有質量，以最大可能的速度傳播。因此，它們在理論上具有最高可能的排氣速度。同樣地，由於沒有質量，它們傳遞的動量並不多。
如上所述，光傳遞的動量並不多。因此，以下方法透過最大化面積質量比來達到有用的推力水平。較大的面積增加了相對於質量的推力。由此產生的結構類似於陸地上的帆。
其他名稱：光帆
型別：光子偏轉產生的太陽能通量
描述：例如來自太陽的星光，反射在一個大面積帆上產生一個力，因為光子的動量被反轉了。垂直（法向）反射的力為
- (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會受到光壓，但反射的表面性能會提高一倍。沒有真正的表面是完全反射的，因此帆的分析需要考慮實際的光學特性。在帆與光源不垂直的角度，淨力具有來自入射光的直接分量，以及取決於帆表面特性的反射或漫反射分量。對於反射，入射角和反射角相對於反射平面相同。漫反射分量是粗糙表面散射到各種角度的光。由於方向的擴散，力會減少一個餘弦因子。
吸收的光分量最終透過黑體輻射重新輻射。如果這從帆的兩側均勻發生，則不會產生淨推力。塗層可以改變每一側的發射率，從而產生淨推力。對於高效能帆，塗層會增加太多質量。最終，使用高反射率的裸金屬箔並忽略未反射的小部分會更好。厚度低到部分透明，以及小於典型光波長的微孔可以進一步降低重量，而不會顯著降低反射率。製造、安裝和操作極薄的箔帆將是一個挑戰。可見光最佳的質量反射率材料是鋁鎂合金。儘管質量更大，但鎢等難熔金屬箔可以在更高的溫度下使用。因此，它們可以用於更靠近恆星的地方，那裡光強度更高，併產生更大的推力。這可用於向外星系任務的初始推動。帆的形狀可以透過支柱和拉力線來維持，或者透過旋轉和光壓的平衡來維持，或者兩者結合。
在地球到太陽的距離上，入射功率為每平方公里 1370 兆瓦。這為高反射率帆產生約 8 牛頓/平方公里的力。太陽帆的吸引力在於它們不使用燃料，原則上，在小行星的情況下，反射器可以用當地的金屬製成。缺點是除非你建造得非常大，否則推力很低，角度控制有限，以及推力與距源星距離的平方反比關係。
狀態：截至 2012 年，已經嘗試過幾次帆的試飛，取得了不同的成功。任何暴露在陽光下的物體都會受到光壓力的作用，但大多數航天器每單位面積的質量都不夠低，無法使該力成為其運動的主要校正。
變體
- 66a 引力牽引機 - 在這種變體中，帆不連線到您要移動的小行星等貨物。物體的相互引力固定了帆。這樣做的原因是不必設計連線帆的方法，並允許帆在限制較少的情況下自行機動。
參考文獻
- 維基百科文章 - 太陽帆
- Marchal, C., 太陽帆和 ARSAT 衛星 - 科學應用和技術，L'Aeronautique et L'Astronautique，第 127 號，第 53-7 頁，1987 年。
- Friedman, Louis, 星帆：太陽帆和星際旅行，Wiley，紐約，1988 年，146 頁。
其他名稱
型別：光子偏轉產生的雷射
描述：高功率雷射器瞄準目標帆。光子束反射在帆材料上。光子的反射反轉了其垂直於帆的分量動量向量。根據守恆定律，帆獲得動量。雷射帆的效能可能高於太陽帆，因為雷射束強度不像區域性星光那樣受限，並且可以在更長的距離內聚焦。帆可以設計為最佳化雷射波長的反射率。這種方法仍然受到帆過熱和缺乏用於有用任務的足夠強大雷射的限制。
先進的星際任務概念已經提出了用於長距離聚焦的非常大的相位板型透鏡。另一個先進的概念是使用兩張帆減緩車輛的速度，透過釋放第一張帆並利用它將光反射回第二張較小的帆。
狀態：截至 2012 年尚未測試，這主要是由於缺乏強大的雷射器。在這種情況下的兆瓦級雷射器並不強大。
變體
參考文獻
- Forward, Robert L., 使用雷射推動光帆的往返星際旅行《航天器與火箭雜誌》，第 21 卷，第 187-195 頁，1984 年 1 月至 2 月
- "LightSail 專案文件"
- "雷射推動光帆"
- 用於航天器推進的菲涅耳板透鏡。Gregory L. Matloff。《深空探測器：到太陽系外層及更遠的地方》。第 7.5 節 菲涅耳透鏡：改進雷射準直的一種方法。第 103 頁。
- "深空探測器：到太陽系外層及更遠的地方"；"星際飛行的雷射技術"；"星際帆的關鍵問題"。
其他名稱：星塵
型別：光子偏轉產生的束狀微波
描述：在這種方法中，微波反射在一個非常薄的開放式金屬絲網格上。反射在網格上的微波光子的動量變化提供了推力。因為細金屬絲的開放式網格可以具有非常低的重量，所以理論上這種推進方法可以提供高加速度。在可行的功率水平下，貨物質量仍然很小。這種方法的一個很好的用途是輸送奈米工廠，然後這些工廠可以建造更大規模的基礎設施。光束可以提供能量來操作目的地處的工廠。這與非運輸微波能量輸送概念相關。
狀態：產生大量微波功率是眾所周知的。將其在太空中聚焦在有用的距離內，以及建造輕質帆材料則不是。
變體
參考文獻
這組方法涉及從車輛內部發射光子，而不是反射外部光源的光子。與光子反射一樣，光子攜帶的動量不多，因此它是一組低推力概念，儘管排氣速度是最大可能的。它可以透過輻射器廢熱的定向發射作為其他推進方法的補充。
其他名稱：核光子火箭
型別：光子發射核反應堆
描述：一個發熱裝置，例如核反應堆，位於拋物面反射器的焦點處。熱光子被聚焦成近乎平行的光束，推動飛行器前進。另一個高能來源是物質-反物質反應，它被重金屬毯吸收並轉化為熱能。這種方法可能不實用，因為發射光子比直接發射能量源的反應產物產生的動量更小。除了反應產物外，使用定向散熱器來去除多餘的熱量可能值得考慮。在這種情況下，它會提高總效率。
狀態：截至2012年尚未測試
變體
參考文獻
其他名稱：星際驅動
型別：光子發射太陽能通量
描述：這類似於之前的熱光子反射器方法，只是整個恆星位於光帆雲的焦點處，光帆雲由重力和光壓平衡。由於重力和光強都與恆星距離的平方成反比，因此在任何距離處，特定厚度的帆都將保持平衡。恆星的光度與其質量之比將決定厚度。恆星的光譜和所需的帆距離將決定帆的材料。透過將光向一個特定方向而不是像自然恆星那樣向所有方向對稱地發射，帆將恆星轉化為不平衡的光發射器，從而為恆星+帆組合產生淨推力。
與恆星垂直方向略微呈二面角的光帆將使光線偏離恆星本身，並且在方向上是穩定的。不將光直接反射回恆星的平面帆效率略高，因為恆星不會吸收任何光，但會使其自身側向加速。因此，這種型別的光帆必須定期改變其方向以保持位置。非平面的帆，例如淺錐體，可以使光線偏離恆星而不發生漂移。
舉一個數值例子，地球與太陽距離處的光帆產生約8牛頓/平方公里。該距離處的太陽加速度為0.006米/秒^2。因此，如果您的帆質量為1330公斤/平方公里，則光壓將平衡重力。如果由鋁製成，則需要0.5微米厚。如今市售有這種厚度的薄膜。反射10%太陽輸出的光帆雲的面積將為28 x 10^15平方公里，質量為37.5 x 10^15噸（最大小行星穀神星質量的3.7%）。這樣的光帆雲將產生225 x 10^15牛頓的推力，並使太陽每百萬年加速3.5米/秒。
這種型別的引擎的用途包括調整雙星或多星系統的軌道，逃離未來的超新星，以及通常在星系內或星系之間移動恆星。這種方法的物理原理很簡單。挑戰在於規模，以及它產生的極慢的加速度，因為恆星的質量非常大。請注意，移動恆星通常不會帶上圍繞恆星執行的天體，它們需要自己的推進系統。
- 移動行星 - 這種方法更實用的（相對而言）用途是移動行星，因為它們的質量要低得多。帆將由行星而不是恆星的重力固定。更大的輔助帆雲將比它們自己收集到的更多陽光引導到固定帆上。對地球進行此操作的一個原因是，由於核心核聚變速率的增加，太陽每10億年亮度增加10%。因此，如果您想保持地球宜居，則需要緩慢地將其向外移動。或者，如果您想使金星更宜居，您可以將其移至小行星帶，在那裡，過量的溫室效應將成為優勢而不是劣勢。這仍然可能是一種緩慢的方法。使用大型小行星或太陽系外圍天體的引力助推機動將更快。與航天器的引力助推不同，在這種情況下，進行飛越的天體質量足夠大，可以影響行星的軌道。如果使用氣體巨星等次級天體來吸收軌道變化，則可以多次使用飛越天體來移動小行星，而無需消耗太多能量。
狀態：距離測試非常遙遠。可能甚至沒有在科幻故事中使用過。
變體
參考文獻
其他名稱：紅移火箭
型別：光子發射反物質
描述：飛行器後方反物質湮滅產生的伽馬射線可以被厚厚的一層重金屬吸收。伽馬射線光子的動量產生推力。與其他光子引擎一樣，直接使用衰變粒子可能更有效，因為它們的質量更大，並且可以更好地引導，但使用伽馬射線作為補充是有意義的。
狀態：目前處於理論階段，因為反物質僅在粒子加速器中以微量產生。
變體
參考文獻
在這種方法中，使用反射腔來增加光壓。在一個佈置中，雷射發出特定頻率的光，並且封閉腔的壁和飛行器後端被設計成對該頻率具有高反射率。在另一種佈置中，沒有封閉腔，並且在一片鏡子的前面放置了雷射增益介質。飛行器攜帶第二面鏡子，並且這兩面鏡子加上增益介質形成了一個雷射放大器，恰好發生在能量源和飛行器之間存在一個大的真空間隙。在這兩種情況下，光都會多次反射，直到最終被吸收或散射，每次反射都會增加一個動量增量。波長可以適應物理尺寸，例如，如果它產生有效的反射，則可以使用微波而不是雷射。多次反射將在光子反覆從運動的飛行器上反射時透過紅移提取光子的能量。如果發生足夠多的反射和足夠高的彈體速度，光將紅移到一個無法有效反射的波長，或者僅僅損失大部分能量，從而結束動量傳遞。
參考文獻