即将“启航的太阳光帆”

文｜张唯诚

即将“启航的太阳光帆”

文｜张唯诚

科学家推出“光帆”新计划

美国行星学会一直致力于研发太阳光帆，它是一种被太阳光子推动的新型太空船。2009年11月，美国行星学会宣布说，他们将于2010年底之前发射一艘名为“光帆一号”（LightSail-1）的实验型太阳光帆太空船。根据行星学会的描述，“光帆一号”是一艘实验型的小型“太阳光帆”，也是他们计划发射的三艘系列“太阳光帆”的开篇之作。它由三个“立方体卫星”（CubeSat）结构组成，将在距地面800千米的轨道上展开一个边长为5.5米、厚度仅为4．6微米的以聚酯薄膜为材料的太阳光帆，整艘飞船的重量大约为4.5千克。

太阳光帆虽是一种新型的太空船，但近十几年来，人们对它却并没有少提起，这应归功于它的创导者之一、美国行星协会主席路易斯·弗里德曼（Louis Friedman）的不懈努力。早在20世纪70年代，弗里德曼就职于美国航天局喷气推进实验室，当时他就提出发射一枚以太阳光帆为推进器的航天器去会合将于1986年靠近地球的哈雷彗星的建议，那时设计的太阳光帆达60万平方米，其面积之大令人难以置信，技术上也难以实现。

此后，弗里德曼与他人一起组建了美国行星协会，并与俄罗斯航天科学家们建立了合作伙伴关系，他们共同工作，立志要把人类的第一艘太阳帆飞船送上太空。2001年7月20日，发射的时刻终于来临，人类的首个太阳光帆飞船“宇宙一号”从一艘俄罗斯核潜艇上发射升空，然而发射很快失败，飞船未能和火箭分离，最后折翼人海。不久，弗里德曼他们又重新建造新的光帆，名字仍为“宇宙一号”，2005年6月22日，新建成的“宇宙一号”再次发射，而这一次，它同样没有按照人们的意愿成功地进入预定轨道，由于运载火箭发动机出现故障，这艘新型飞船在升空不久即与地面失去联系。

“宇宙一号”发射失败后，太阳光帆的研究并没有停止，世界各地的科学家都仍不断地致力于太阳光帆的研究和实验，包括欧洲空间局、美国航天局和日本空间局等。

但是，自2005年“宇宙一号”发射失败后，至今还没有新的太阳光帆飞船进入太空轨道上运行。

光子的神奇力量

在执行太空任务的过程中，航天器飞临目的地往往要耗费漫长的时间，而抵达目的地后的考察活动则并不像长途跋涉那样耗费时日，例如“旅行者号”探测器就花了几年时间才抵达土星，而在土星系统里的考察活动却只用了几天时间，所以速度是太空旅行的一个关键问题。自1926年罗伯特·戈达德发射了第一枚液体化学燃料火箭以来，太空任务主要依赖化学燃料，但“化学火箭的问题就是太慢，它们一开始便燃尽了绝大多数燃料，而后面的路程只得依靠滑行。”为了节省燃料和提升航天器的速度，科学家为此巧妙地设计了航天器的运行轨道，让航天器在行星引力的帮助下奔向目的地。

化学火箭的另一个突出问题是它的燃料效率太低。根据美国约翰逊太空中心的太空发射分析专家布雷特·G·德雷克（BretG·Drake）分析，用现在的化学火箭推进技术，假若将6名宇航员送上火星，选择最节省燃料的线路，人们需要将1000吨重的物体发射出去，而这其中的90%将是燃料，这就好比你开车从纽约去旧金山，你的车只有一吨重，而你用掉的汽油竟然是9吨。

与传统的太空船不同，太阳光帆并不依靠燃料发动机产生的推力遨游太空，而是借助太阳光产生的光压来获取推力，它最擅长距离遥远的太空旅行，所以科学家认为，在未来的星际旅行中，太阳光帆很有可能成为前往其他星球的最合理的航天器。

“宇宙一号”太阳光帆面积为530.93平方米，根据测算，它可以获得的推力仅为255克，不过在太空中，这一点力量就不可小视了，因为运行中的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力就可以让它加速，而更为重要的是，这样的加速会一直持续下去，最终达到相当快的速度。从理论上说，一个行星际太阳帆只要加速三年时间，其速度便能大大超过现在正在以高速飞往冥王星的“新地平线号”。

“光帆三号”将飞向太阳

即将升空的“光帆一号”是一艘实验型的小型太阳光帆，体积比“宇宙一号”要小得多，重量只相当于“宇宙一号”的二十分之一。它由三个“立方体卫星”（CubeSat）结构组成，一个携带电子装置和控制模板，包括监视帆面的摄像机、一个无线电收发系统和一台控制太空船和帆面的电脑，还有测量光压的装置和全球定位系统，它们合在一起能有效地控制“光帆一号”的飞行。另外两个携带太阳光帆组件，它们将负责展开一个边长为5.5米、厚度仅为4.6微米的以聚酯薄膜为材料的太阳光帆，整艘飞船的重量大约为4.5千克。

“光帆一号”将在距地面800千米的轨道上飞行，一旦科学家确定它获得了加速度并认定其能量来自于太阳的光压后，此次实验便被视为成功。但此次飞行仅是太阳光帆系列飞行的一部分，科学家将在“光帆一号”飞行成功后发射“光帆二号”和“光帆三号”，它们的飞行时间和有效载荷将逐步增加，从而获得更多的在轨信息。

科学家认为，尽管目前太阳光帆还无法完成远距离星际旅行的任务，但在不远的将来，它将成为研究和监测太阳活动的理想工具。

根据预测，未来的太阳光帆可以达到比现在工作于拉格朗日点上的太阳探测器更接近太阳2~3倍距离的地方，这意味着它能大大提前针对于太阳活动的预警时间，这是其他种类的探测器难以做到的。太阳光帆将成为人类监测太阳活动的好帮手。