太阳帆飞船：让我们飞得更远

●白　木　周　洁

2000年7月20日，俄罗斯潜艇用一枚经过改装的“波浪”型导弹，在巴伦支海成功地进行了太阳帆飞船的发射实验。

名为“宇宙1”号的太阳帆飞船装在导弹弹头中，其中的太阳帆在发射过程中处于折叠状态。当导弹弹头在液体燃料发动机的推动下进入远地点约1200千米的太空轨道后，飞船与弹头分离，并缓缓地张开了两个花瓣状、总直径约26米的太阳帆。这艘太阳帆飞船在近地轨道飞行约25分钟后，按预定计划返回了地球，并准确降落至俄勘察加半岛。

本次发射升空的“宇宙1”号为历史上第一艘实验型太阳帆飞船，它是由俄罗斯马克耶夫科学生产企业和巴巴金研究中心共同研制成功的。这次实验的目的是测试形如花瓣的两个太阳帆能否在太空中顺利打开并产生动力。安装在太阳帆飞船表面的摄像装置，对实验的全过程进行了拍摄。在实验结束后，地面控制人员启动了飞船上的充气制动装置，使飞船表面被特制的气囊所覆盖。在气囊的制动下，飞船在稠密的大气中的返回速度可降至每秒约16米。气囊中的特制气体，可防止与大气摩擦时所产生的热量损坏飞船上的仪器。

据悉，俄罗斯、美国、德国和法国的专家在距离发射水域约56千米的考察船上，仔细观察了太阳帆飞船的此次出航。专家们认为，测试进行得非常成功。

太阳帆飞船的提出

30年前，当三名宇航员乘坐“阿波罗11”号宇宙飞船实现具有历史意义的登月之旅时，约20米高的运载火箭共携带了2500吨燃料。为了摆脱庞大的运载工具，长期以来，人们一直设想开发一种以阳光为能源的光帆航天器。

20世纪初，几位科学幻想小说家曾写过有关用反射镜面推动宇宙飞船的故事。但直到1924年，前苏联航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔才明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆——一种包在硬质塑料上的超薄金属帆——的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

1976年，美国喷气推进实验室的科学家曾提出过大规模建造太阳帆的计划。他们建议制造一艘太阳帆飞船，与1986年返回太阳系的哈雷彗星相会。但美国航空航天局认为这一方案面临的风险太大，从而中止了太阳帆的研究。近年来，随着微电子和材料科学的飞速发展，一直探索更快、更好、更便宜的空间飞行方式的美国宇航部门,重新将目光投向了太阳帆计划。美国航空航天局的科学家们称，第一艘飞往太阳系边缘的光帆航天器可在10年内发射。

目前，美国国家海洋与大气管理局和美国空军已提出建造用于监视太阳表面活动的太阳帆计划。它将用传统的火箭将太阳帆飞船送到距地球150万千米的地方，在此，太阳的引力与地球的引力相互平衡。到达此处之后，航天器展开一个直径70米的较小的帆，通过精心选择倾角，展开的帆即可提供所需的能量，使飞船向太阳方向继续飞行150万千米，并与地球保持同步。从这一有利地点，它就能监视干扰卫星和破坏地面电网的太阳磁暴，在磁暴袭击地球前两小时发出警报。这一时间几乎比目前的预警时间长了1倍。

除此之外，太阳帆计划还包括发射在高纬度绕地球飞行的商业卫星和一项飞向水星的计划。承担这种任务的帆要求面积更大，密度更低。专家仍认为,利用一个边长100米、密度为每平米10克的帆提供动力即可到达水星，而且速度比用火箭推进更快。

太阳帆飞船的原理

太阳帆飞船是一种利用太阳光的压力进行太空飞行的航天器。由于太阳光子具有源源不断、方向固定等特点，在没有空气阻力的宇宙中，航天器无须携带任何燃料，太阳光的光子会不停地撞击太阳帆，使太阳帆所获得的动量不断增加，从而形成加速度。使用太阳帆的航天器可以借助这种动力，达到很高的飞行速度。据计算，直径为300米的太阳帆，可使重约0．5吨的航天器在200多天内飞抵火星。如太阳帆的直径可增加到2000米，则太阳帆就能把重约5吨的航天器送出太阳系。

人们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小。在地球到太阳的距离上，光在1平米帆面上产生的推力只有9×10－6牛，还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。

太阳帆是一个展开后仅有100个原子厚的巨型超薄航帆，太阳帆飞船飞行起来很像大洋中的帆船，改变帆的倾角即可调整前进方向。而且只要几何形状和倾角适当，它可以飞向包括光源在内的任何方向。借助阳光的推力，这种航天器可以飞向太阳系的边缘并进入星际空间。如果辅以从地球轨道射出的强力激光束，它可以飞得更远，直至到达离太阳系最近的恒星。

飞向人马座成为可能

如果前往离我们最近的人马座γ星的恒星际宇宙飞行能够成功，我们就能得到解开宇宙年龄等宇宙之谜的大量线索。但是航天飞机这样的化学燃料火箭加速度为17g，也就是只有地球重力17倍的加速能力。使用航天飞机要用10年时间到达43光年之遥的人马座γ星，必须持续加速两个月以上，这是不可能的。为了持续加速两个月，航天飞机就得装载更多的燃料，这使它的重量之大，以至于根本离不开发射台。

不仅如此，为了用10年时间到达半人马座γ星，必须维持05倍以上的光速。然而随着接近光速，等在前面的一个难关便出现了，这就是“爱因斯坦狭义相对论”指出的速度越快质量越大的规律。当速度达到光速的075倍左右时，其质量将变成15倍。由于质量增大，推进力即使加大也无法加速，所以航天飞机必须造得尽可能轻些。

用激光束鼓起宇宙飞船的光帆由此获得推进力。由于激光束几乎不会发散，激光束可以从太阳系中射出，所以能够实行必要的操纵和管理，设备的更新也有了可能。更重要的是，宇宙飞船再没有搭载燃料的必要了，宇宙飞船便能造得更轻。在加速到亚光速的情况下，宇宙飞船的质量不大，是一个非常大的优势。

为了把宇宙飞船送至半人马座γ星，得用激光束加速约1年,使宇宙飞船的速度达到光速的1／3左右，此后切断激光束，宇宙飞船转入惯性飞行。在接近半人马座γ星时，光帆的外圈逐次断开，形成同心圆状的三部分，把光帆的最外侧移至宇宙飞船的前部，同时再次发射强大的激光束，于是宇宙飞船后部的光帆便被罩在强光之中，宇宙飞船便获得了制动力。当然，来自宇宙飞船身后的激光束仍照射在光帆上构成推进力。但是宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9倍,制动力比推进力起到更大的作用。对半人马座γ星的探测结束，准备踏上归途，处在中间的环状光帆被取下，此时光帆仍在反射激光束，并使宇宙飞船获得与来路相反的推进力得以飞返地球。顾国建图