太阳帆：太空中的绿色动力——访国际宇航科学院院士朱毅麟

□ 本刊记者 陈彩连

问：什么是太阳帆？

答：所谓太阳帆，就是一个在太空展开的面积很大、表面平整、光滑、无斑点和皱纹的薄膜，薄膜一般由聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成，表面镀铝或银，使其具有全反射的特性。

问：太阳帆是如何获得动力的？

答：太阳光传送光和热，照到人身上，人会感到暖洋洋的，但从来也没有人感觉到太阳光有压力。实际上，太阳光是有压力的，因为光具有两重性，既是电磁波，又是粒子——光子。光线实际上是光子流，当光子流受到物体阻挡时，光子就撞到该物体上，就像空气分子撞到物体上一样，它的动能就转化成对物体的压力。

“伊卡洛斯”奔向金星示意图

不过，太阳光产生的压力——光压是非常非常小的。不仅人感受不到，就连普通的仪器也测不出来。在地球附近，太阳光照射到一个平整、光亮、能完全反射光的表面时，产生的压力最大，大约是9×10－6牛/平方米，也就是说1000平方米平整光亮的面积上才受到9毫牛的压力，只相当于一个2分硬币的重量。在地面上，由于重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太阳光压力被淹没在这些宏观力的汪洋大海之中，显现不出。

“伊卡洛斯”太阳帆帆面结构

“山中无老虎，猴子称大王。”到了太空中，重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等几乎完全消失，太阳光压才有了出头之日。一些具有创新思维的人开始想到利用太阳光压来推动航天器在太空飞行。早在上一世纪初，俄罗斯宇航理论先驱齐奥尔科夫斯基就提出过这一大胆的设想。以后，又有不少科学家进行过研究。然而，只有当科学技术发展到今天的水平，在有强大的火箭把航天器送入太空的条件下，利用太阳光作为航天推进力才有了实现的可能。

问：太阳能够提供的动力足以维持航天器的运行吗？

答：太阳光压的大小是与接受太阳照射的面积成正比的。受照面积越大，产生的压力越大。为了获得一定的压力，必须有足够大的受照面积，一块面积为105平方米×105平方米（约一个足球场大小）的太阳帆，在太阳光正射下可获得大约100毫牛的力，用它推动100千克的物体，可产生1毫米/平方秒的加速度。这个加速度极其微小，只有地面重力加速度的大约一万分之一。

另外俗话说得好：“涓涓细流汇成大海，块块碎土堆成高山。”速度等于加速度与时间的乘积，尽管加速度非常小，只要时间足够长，终能达到一定的速度。即使航天器的加速度只有1毫米/平方秒，那末，一天以后，速度达到86.4米/秒（合时速311千米）；一个月后达到2592米/秒（约7.6 倍音速）；130天后，就可超过第二宇宙速度。达到11.23千米/秒；一年后可达到31.54千米/秒，足以飞出太阳系，由此可见加速度不在大，时间长则灵。

“伊卡洛斯”帆面展开示意图

问：用太阳帆作动力有哪些优点？

答：迄今为止，航天飞行都是用化学火箭作动力，需要携带大量推进剂。想要达到的速度越大，需要的推进剂越多。由于受到可携带推进剂数量的限制，化学火箭只能短时间工作。

太阳帆用作航天动力的最大特点是：不需要携带任何推进剂或工作介质，只要有太阳光就行。太空中太阳光是用之不尽的，太阳帆工作不受时间限制，真像是一部“永动机”。它比较适用于长时间、远距离和超远程的航天飞行，例如，太阳系内的行星航行和飞出太阳系的恒星际航行，特别是对于需要返回的航天飞行，可以免去携带回程用推进剂的重负。

利用太阳帆和离子发动机探测木星示意图

用太阳帆作航天动力的另一优点是清洁、安全。太阳帆不消耗能源，不发生化学变化。不产生废气、废物，不污染环境，是人们所希望的、保护太空环境的“绿色动力”。

利用太阳帆产生的力可以用来提升或降低卫星的运行轨道；太阳帆不仅可以使航天器远离太阳飞行，调整太阳帆相对于太阳的不同角度，也能使航天器迎着太阳飞行，如同水面上帆船利用风力在帆与舵的控制下逆风行驶一样。这对于未来行星际航行是很有意义的。