太阳帆航天器如何扬帆

美国研制的太阳帆飞行示意图

太阳帆，是自身不携带发动机，完全以太阳光作动力的航天器。

今年5月，美国拟用宇宙神5号火箭发射“光帆1号”A太阳帆航天器，它主要用于测试姿态控制和通信的技术，但不进行星际旅行。2016年，美国还将发射“光帆1号”B太阳帆航天器，它将飞得比较远。这两次任务成本为450万美元，完全由私人资金支持，如果成功，后续的太阳帆航天器将试着飞出太阳系。

科幻小说里产生的概念

自从1957年10月4日前苏联发射第1颗人造卫星，标志着航天时代到来以后，每个被发射上天的航天器都自身携带着化学燃料、电能或核燃料。然而近些年，一些航天科学家一直在研究如何利用比风更可靠、更自由的太阳光粒子，使其成为探测器的动力。

实际上，太阳帆概念很早就产生了。第一个现代意义上的太阳帆概念产生于19世纪法国著名科幻小说家朱尔斯·凡尔纳的小说《从地球到月球》（1865年）中，朱尔斯·凡尔纳的思想无疑为苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作奠定了基础。19世纪70年代，麦克斯韦发现光是由非常小的粒子（即我们现在所称的“光子”）构成的能量包组成。光子对任何物体都会产生作用力，向物体撞击并反弹出去。尽管这种碰撞产生的能量非常小，但是由于太阳发出的光子的数量是相当大的，因此，最终这些光子能推动像太阳帆那样的物体前进。

20世纪20年代，前苏联科学家首先开始了关于把太阳帆用于行星际航行的研究，还为此著书立说。20世纪五六十年代，在新一代科学家、工程师及科幻小说家的努力下，这种思想重新复苏。1964年科幻小说家阿瑟·C·克拉克出版了著名小说《来自太阳的风》，讲述了一艘国际载人太阳帆飞往月球的故事。而在这时，美国航空航天局开始认真考虑太阳帆概念，并着手进行了一些研究。

太阳帆是一种没有携带发动机、以太阳光作动力的航天器。传统的航天器是由其内部能量燃烧所产生的冲力来推动的，而太阳帆仅仅由被其巨大的、像镜子一样的帆反射的光子来推动。

太空中的“永动机”

对于一个行星际太阳帆来说，其速度的大小将依赖于它被光压推动的时间的长短。太阳帆在其飞行的最初阶段速度相当慢，如果以这种速度飞行，可能要花一年时间才能到达月球，而当年“阿波罗”载人登月飞船使用常规推力只需3天就到达了月球。

但是，太阳帆的真正优势在于，它不像化学火箭那样，推力只能持续短暂的时间，太阳光对太阳帆的推动是一直持续下去的。太阳帆会不断地加速，所以最终比其他探测器更快。从理论上来说，一个行星际太阳帆不出5年就能到达冥王星。而相比较而言，美国探测冥王星的“新地平线”探测器使用化学推进及从木星那里得到的引力辅助，计划要用9年时间才能到达目的地。

为了能使太阳光提供足够的光压，太阳帆必须尽可能多地捕捉到太阳光，这就意味着帆的表面积必须很大，在20世纪70年代美国探测“哈雷”彗星的太阳帆计划（后来取消）中，帆的面积设计为60万平方米，大约有纽约市的10个街区大。

如果由于离太阳越来越远而使太阳帆加速度变小，一些科学家提议用激光推动其前进，虽然这一想法在目前的技术和资源条件下还无法成为现实，但是如果在未来的某一天，太阳帆要带着人类飞往其他恒星星系，就得用激光，因为一旦飞出木星轨道，太阳光压就会非常弱。

日本“风筝”已飘向太阳

近年来，日本和美国已多次在太空进行太阳帆试验。2005年6月21日，世界上第一个大型太阳帆——“宇宙1号”由前苏联遗留下来的SS-N-18型洲际弹道导弹改装而成的波浪号火箭从水下潜艇发射升空。“宇宙1号”太阳帆由美国行星学会投资，俄罗斯负责建造。然而，由于运载火箭故障，这次太阳帆试验最终失败。

经过许多失败的教训，2010年5月21日发射的日本“伊卡洛斯”太阳帆获得了成功，它已飞过了金星，并继续向太阳飞去。

“伊卡洛斯”是世界第一个成功使用太阳帆技术的深空探测器，它是一个高1米、直径1.6米的筒状小型航天器, 采用直升机式构型。它在太空释放后，卷在航天器上的超薄膜太阳帆，通过转动圆柱形机体所产生的离心力徐徐展开，并形成边长14米、对角线距离为20米、厚度仅0.0075毫米的正方形帆面。帆面上面还嵌有一些25微米厚的硅薄膜太阳电池，它们占总帆面面积约5%，预计产生500瓦电能。这些电能除用于验证薄膜太阳电池的功能外，还为所携带的设备供电。“伊卡洛斯”的总质量为315千克，其中帆面的质量为15千克。

值得注意的是，“伊卡洛斯”是逆太阳风飞行的，所以它通过调整太阳帆和太阳光照射的夹角来实现“曲线前进”。

太阳帆有望飞出太阳系

虽然经历过“宇宙1号”太阳帆的失败，但美国行星学会对研制太阳帆仍自信满满。

美国行星学会计划于2015年5月先用宇宙神5号火箭发射“光帆1号”A太阳帆航天器。“光帆1号”A在长达4个星期的测试中运行在较低的轨道，主要进行展开太阳帆、姿态控制和对地通信等试验，监测太阳帆，将图像传回地面。其形体只有一个面包大小，升空后展开成4块三角形薄膜，拼成一个正方形帆面，面积可达到32平方米，应该可以为地面肉眼看见。如果一切顺利，将在几天后试着打开，调整姿态，并且传回数据。

2016年将发射的“光帆1号”B运行轨道较“光帆1号”A高。它将装在乔治亚理工学院研制的“下月1号”卫星中，由猎鹰9号火箭发射到距地面720千米的轨道上。然后，“下月1号”卫星在轨释放出“光帆1号”B，并停在附近监视它展开太阳帆。“光帆1号” B展开之前的形状类似一个长条面包，重约5千克。其太阳帆采用一种聚酯薄膜制成，厚度为普通垃圾袋的1/4左右，约4.6微米，展开后是一个边长5.5米、由4个三角形组成的正方形，面积约32平方米。

美国行星学会还将研制比“光帆1号”飞得更高、更远的“光帆2号”和用于太阳气候监测的“光帆3号”。如果一切顺利，太阳帆有望成为人类飞出太阳系的主要工具。

长期以来，人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖，找到新的动力方式，实现人类遨游太空的梦想，而利用太阳能来进行太空航行的太阳帆推进航天器，代表了人类未来太空飞行的技术，它将在开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步。(士元)

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