太阳能驱动的宇宙航行

比尔·奈

你知道当前的月相吗？我们当中的大多数人对此一无所知;如今我们也根本无需知道。但在路灯和电灯充斥在我们生活的角角落落之前，人们会孜孜不倦地观察夜空。因此在1607年，当一颗十分明亮的彗星出现在天空中时，人们对它是又害怕又着迷。

这颗划过天际的彗星就是我们现在所熟知的哈雷彗星（以英国科学家爱德蒙·哈雷的名字命名，他计算出了该彗星的轨道），德国天文学家约翰尼斯·开普勒曾对他当年看到的景象进行过深入思考。他推断，哈雷彗星的华丽尾部可能是因太阳的温度使彗星表面的物质蒸发或释放而产生的。开普勒曾想象过去探索星空：“只要船或帆能适应天上的微风，就一定会有人无惧无垠的天际。”

毕竟在16世纪和17世纪，船舶很常见，它们由风驱动，而太阳的热则是风的成因之一。得益于尼古拉·哥白尼的理论与探索，在开普勒生活的时代，人类已经开始了解我们是生活在一个围绕着一颗恒星转动的行星之上的。那么，开普勒想象人类在星空中航行或许可以说是自然而然的了。

1977年，我坐在康奈尔大学卡尔·萨根的天文课堂上时，宇宙航行在我看来显然是再自然不过的事情。萨根生动形象地描述了他想象一艘航天飞船在重力和轨道力学的约束下运行，从星球间滑过的景象。它将在广袤的宇宙中航行，以无尽星空中的星光为动力，一往无前。

我的教授曾经描绘的梦想如今正被世界上最大的非官方太空组织——行星协会实现，萨根在1980年共同参与创办了该机构（如今由我负责）。2015年6月，协会测试了它通过众筹筹款建造的光动能宇宙飞船“光帆1号”。在本文发表时，我们正准备于秋季在美国的卡纳维拉尔角发射它的下一代飞船“光帆2号”，它将由SpaceX“猎鹰”重型火箭送入地球轨道。

在开普勒首次写下关于星际航行的文字大约三个世纪后，科学家发现光的性质是纯能量——它能促使事物前进、运转或发生。目前我们知道每个光子有多少能量。尽管光子没有质量，它们却有动量。

我们或许都知道滚动的保龄球有动量，它们能将动量传递给保龄球瓶。当保龄球击中球瓶时，球瓶倒下即得分。此外，如果你曾经被保龄球击中过胸腔（就像我在一档儿童电视节目中经历的一样），你就会知道它的动量有多大。

相反地，光的动量是一种超乎我们日常经验的概念，对于我们来讲可能有点难以理解：你置身户外，站在阳光下的时候，根本不会感到阳光能把你推来推去。光的力量，尤其是一个光子的力量，实在是微乎其微——因此在地球上，太陽光压会被你受到的其他压力抵消，例如摩擦力和重力。

要是我们能利用大量光子的能量，又不会受到其他阻力的影响会怎样呢？据我们所知，只有一个地方能摆脱所有的摩擦力和重力：外太空。

自上世纪20年代起，人们就开始设想一种质量很小、体积很大的飞船，被光子的压力推动着在宇宙间自由穿行，就如同气体的分子——空气——推动着帆船在大海上航行那样。

利用太阳能航行的精妙之处不仅在于概念，还在于其效率。一旦进入轨道，飞船就不再需要任何燃料推动了。尽管光的推动力很小——每平方米光帆上只有九微牛顿（约合一百万分之一千克）——这与传统的火箭引擎不同，然而它却永远也不会耗尽。因为太阳持续不断地发出光芒，能量虽然微小，却每分每秒都在不断地累积。

以下就是“光帆2号”的飞行原理。我们的飞船最初和一块面包的大小相当：10厘米×10厘米×30厘米，是当今立方体卫星的标准大小和形状。好在，由于地球轨道上几乎没有空气，所以飞行器的外形无需制成光滑的空气动力学形态。

飞船中的小隔室里装有亮晶晶的光帆;在轨道上，它们将展开，成为边长超过5.5米的正方形。阳光推动光帆时，地面上的控制人员能操控飞船上体积很小的电动发动机，让它在宇宙中调转方向。绕地球飞行时，我们将让光帆的边缘侧向太阳，然后扭转或停住飞船，使阳光垂直照射在光帆上，然后再固定光帆的边缘，使其侧向每条轨道。

它就像一艘帆船，只不过是在宇宙中而非在天空中航行，并且直接由阳光驱动。与在巨大的海边船坞中造船不同，光帆是在美国加利福尼亚州一座座小小的陆上实验室中建造完成的（尽管可以用于冲浪）。

在从事打造“光帆2号”的任务期间，我们期望能够聚集轨道能量，从而让我们了不起的小飞船攀升至越来越高的轨道。我们希望它能发回自身和地球的美丽图像，我们还相信它将从根本上提高航天技术。这些光帆飞船任务是全世界为降低宇宙探索成本所做努力的一部分，通过这些任务获得的经验，那些成本高得使人难以负担或是不可能实现的飞行未来也将能得以完成。

例如：太阳偶尔会在名为“日冕物质抛射（CME）”的过程中释放出巨大的能量，这些能毁坏卫星上携带的电子设备的带电粒子流在太空中的移动速度非常快——不过还是要比光子的运动速度稍逊。

正如开普勒曾经指出的那样，靠近太阳轨道的物体比远离太阳轨道的物体运动速度快，因为太阳引力能起到牵拉作用。如果我们尝试将一颗卫星放在一条轨道上，使它与太阳之间的距离和金星与太阳之间的距离相当，然后我们计划飞船与地球同步——好吧……它办不到。相反，它会径直朝太阳飞去，然后被太阳吞没。要让它留在这条轨道上，飞船需要另一个恒定的外力。光帆能提供持续的推动力，飞船上的仪器会探测到日冕物质抛射现象并给我们发来警报信号。我们可以操控临近的地球轨道卫星，好让它们能够转向，始终背向粒子流——但我们关键的飞船则要遭受一点小损害。

我们希望“光帆2号”能发回自身和地球的美丽图像。我们相信它将从根本上提高航天技术。

在具备光帆航行同样特征的情况下，我们可以将一艘装备了红外望远镜的飞船送入地球轨道，与地球同步运行。这艘飞船能将它的热感望远镜朝向远离太阳的方向，探索冰冷漆黑的宇宙，说不定能发现一颗将要与地球相撞的危险小行星发出的光亮。

也可能，光帆飞船可以被安置在几乎永远位于地球北极或南极上空的轨道上，用来监测天气和气候的变化。光帆飞船是一项刚刚起步的技术，甚是迷人，也十分了不起。

想想我们所生活的现代世界和探索带来的巨大影响吧。你正在浏览的电子设备或纸质书刊，你驾驶的汽车，你乘坐的飞机和火车，你吃的食物，你穿的衣裳，它们之所以存在，都是因为我们的先人学会了如何在无垠的大海……未知的大陆……无尽的宇宙中前行。

在行星协会，我们的使命是推动空间科学和探索的发展。大多数生活在地球上的人日复一日、年复一年地忙忙碌碌，过着日子，却从没思考过宇宙——但当我们放眼宇宙，付诸行动，我们就能做出了不起的成就。通过邀请世界公民参与到光帆飞船的任务中——倡导科学基金、出席行星协会的活动、订阅更新的发射信息——我们给他们提供了一个参与未来、使宇宙民主化，以及帮助我们所有人获得一个以重要的新视角看待宇宙以及宇宙中我们所处的世界的机会。向星空致敬！

继续前行……

随着“光帆2号”准备进入地球轨道，这里也要介绍一些关于那条轨道上一颗旧卫星的信息。1958年3月17日，美国将“先锋1号”（左）送入轨道时，它是世界上第一颗太阳能卫星。1964年，它停止了传送信息——但发射升空后的60余年来，它一直在绕轨道飞行，“先锋1号”因而成了宇宙中最古老的人造卫星。截至目前，它已经绕地球飞行了约23.9万圈，美国国家航空航天局的大卫·威廉姆斯说，而且“大多数人推测它还将在轨道上继续飞行数百年”。