奥本大学科学家提出“变形帆”（3S）概念，让太阳帆在飞行中充当推进器，进入目标天体时折叠成热盾。模拟显示其在火星任务中可降低40%热负荷，为深空探测提供新方案，带你了解这一太空技术创新。

　　智能材料在太空探索中的应用场景不断拓展，从卫星天线展开、火星车变形与重构，都能看到智能材料的身影。

　　最新提出的想法之一，是利用智能材料将“主要用于任务推进的太阳帆”，在抵达目的地后转变为“热盾”。奥本大学（Auburn University）航空航天工程系的约瑟夫·艾瓦森（Joseph Ivarson）和达维德·古泽蒂（Davide Guzzetti）在《航天学报》（Acta Astronautica）上发表了一篇新论文，阐述了这一想法的实现原理，并列出了其在太阳系各区域探索中的潜在应用。

　　他们将这一概念命名为“变形帆”（Shape Shifting Sailer，简称3S），其原理十分简单：航天器在大部分飞行过程中，利用一张薄材料片作为太阳帆推进；当抵达目的地后，调整这张材料片的朝向，使其成为“热盾”和“阻力装置”，帮助探测器进入目标天体的大气层，或通过空气制动进入目标天体轨道。

　　这种“转变”可通过一组形状记忆合金（SMA）铰链实现——这些铰链能将通常呈平面的太阳帆折叠成类似“圆锥”或“盾牌”的形状，既有助于产生阻力（减缓探测器速度），也能辅助偏转部分热量，本质上相当于一个（尽管效果仅为部分有效）热盾。

　　不过，在着手建造这类系统之前，工程师们首先进行了所有优秀工程师都会做的事——建立模型。在这项研究中，他们将建模工作分为两个阶段：“设计空间”研究和可行性研究。

　　在工程术语中，“设计空间”与“外太空”无关——它指的是尝试涵盖所有可能影响特定指标（例如探测器进入火星大气层时的重量或峰值温度）的因素。通过在模拟中调整这些因素，工程师可以明确需要做出的关键设计决策，尤其是在“降低帆体重量”与“提高热防护效果”等权衡取舍方面。

　　研究人员在论文中，以地球、火星、土卫六、天王星和海王星这五个潜在目标天体为案例进行了分析。随后，他们采用一种名为“遗传算法”的半自主算法，对太阳帆的“峰值温度”和“峰值压力”这两个指标进行优化权衡。研究发现，这两个指标存在“此消彼长”的关系——能使其中一个指标最小化的物理形状，往往会导致另一个指标最大化。

　　要使压力最小化，太阳帆的最佳形状类似“树叶”——表面积大但重量极轻；而要使温度最小化，最佳形状则类似“炮弹”——体积小、厚度大、密度高，这通常意味着具有较高的热惯性（即材料能承受的总热量）。

　　在研究的下一阶段，他们模拟了探测器进入各目标天体大气层并进入轨道的可能飞行路径。针对地球，研究发现这种材料至少能在一定程度上帮助降低整体热负荷：如果在重返大气层过程中抛弃太阳帆，探测器的峰值加热速率可降低20%至25%。火星是应用“变形帆”概念的最佳场景——同样在“抛弃太阳帆”的情况下，进入火星大气层的探测器所承受的热负荷可降低高达40%。

　　遗憾的是，针对土卫六、天王星和海王星的模拟结果并不理想。对于天王星和海王星这两颗气态巨行星，使用该系统的可行性极低——因为在它们的大气层中进行空气制动所需的进入速度极高，任何在近期可制造的材料都可能被烧毁。而对于土卫六，“变形帆”系统虽具备可行性，但要达到有效防护效果，太阳帆的质量需与有效载荷质量相当。考虑到将物资送往土卫六的成本极高，这一方案似乎难以实际应用（无论是发射还是着陆）。

　　但即便该概念仅适用于火星探索，它也具有重要价值——因为随着NASA继续推进“从月球到火星”的探索计划，火星将成为未来众多任务的核心目标。鉴于论文中的模拟结果显示出良好前景，或许值得投入资金研发“变形帆”系统的原型机，以排查方案中可能存在的问题。不过，考虑到目前太空探索资金的现状，这一研发工作可能还需要等待一段时间。

　　可折叠太阳帆为航天器进入天体大气层提供了新的技术思路，尤其对火星任务意义重大。你认为未来这一技术还需要突破哪些难关，才能真正应用于太空探测？是材料耐热性还是折叠机制可靠性？