“光帆”2扬帆启航

文/江山

就像古代的水手一样，星际“冒险家”有朝一日也许会在星际扬“帆”远航，但是星际“水手”利用的不是海上的风而是太阳光。太阳帆利用太阳的光压在太空航行,为人类提供一种新的技术方案。

“光帆”2任务成功

2019年7月31日，美国行星学会宣布其6月25日由猎鹰重型火箭从肯尼迪航天中心发射的“光帆”2小卫星已成功验证了利用太阳帆来改变轨道的能力。这颗三体立方星在其32平方米的聚酯薄膜帆面展开后的4天里利用帆面上太阳光压产生的推力把轨道远地点升高了1.7公里。

“光帆”2项目耗资700万美元，全部来自捐赠，是美国行星学会精心打造的一个项目。卫星由几个合作方共同建造，包括星球探索公司、加州州立理工大学圣路易斯-奥比斯波分校和佐治亚理工学院等。“光帆”2由厚度只有4.5微米的聚酯薄膜制成。发射时，只有一条面包大小的“光帆”2被装在更大些的“邻近”1卫星内，7月2日由后者投放。

▲“光帆”2科学测试

控制人员在7月23日帆面展开前对星上各系统进行了测试。之后“光帆”2立方星上的电机开始展开总面积达32平方米的4个三角形帆面。在帆面展开过程中还拍摄了照片。接下来的一个月的时间里“光帆”2继续利用帆面抬升卫星轨道远地点高度。同时，卫星近地点将会在大气阻力作用下下降。控制人员对卫星进行微调，提高帆面效率。一个月后，大气阻力的综合作用抵消了太阳帆产生的推力，这项任务的升轨任务部分结束。在升轨阶段结束后会开展一些其他试验，比如改变帆面朝向，测定阻力的差异等。“光帆”2会在约一年内离轨。

什么是太阳帆

太阳帆的概念可以追溯到近一个世纪之前。目前太阳帆由涂有金属反射层的聚脂薄膜或聚酰亚胺等轻型材料、支撑结构、展开组件等制成。那么太阳帆是靠太阳风航行吗？答案是否定的。太阳帆飞行靠的是光子，当光子撞击到平滑的表面时，可以产生相应的作用力。由于太阳光的压力太小，我们感受不到。在地球上太阳光在1平方公里面积的表面产生的推力只有9牛顿。由于这种推力很小，不能推动航天器从地面起飞，但在没有阻力的太空可以为有足够大帆面面积的太阳帆提供加速度推动航天器运动。

当太阳帆正对太阳时，光子会推动太阳帆远离太阳。太阳帆并不只是一味地“勇往直前”，而是可以像帆船一样，通过改变方向自由航行，一种方式是通过改变与太阳之间的角度，其他的方法还有改变重心等。太阳帆的速度取决于帆本身的大小和重量，面积大的太阳帆获取的太阳光多，获得的动量大；对大小相同的太阳帆来说，质量越小，加速度越快。加速度还与光源的距离和强度密切相关，太阳帆离太阳越远，太阳光越弱，加速度越小。建造大型太阳帆还是需要投入相当精力和金钱的。通过一系列试验、测试，太阳帆技术被突破并被技术人员掌握后，可能成为一种相对便宜的推进方式。太阳光取之不尽用之不竭，太阳帆推动的航天器可以在不增加携带燃料的情况下长距离飞行，所需的运载火箭也可以更小、更便宜。

▲展开测试

▲“光帆”发射前技术人员正在测试

理论上，由于太阳帆会提供持续加速度，与火箭推动的航天器相比，太阳帆推动的航天器可以更快到达遥远的行星和恒星。然而目前太阳帆星际航行技术还处于研制阶段。科学家们认为近期太阳帆可用于太阳探测，多个天体飞越以及对地球及其他天体定点观测等。太阳帆还可为受很多新兴航天国家、小公司、大学等青睐的小型、低成本立方星提供动力，使立方星在不携带燃料的情况下在太空实现机动。另外，人类进入太空时代以来，太空垃圾成为人类面临的一大难题。如果不采取离轨措施，有的废弃航天器将长期在太空“游荡”，占据宝贵的太空资源并可能碰撞现役航天器，影响其功能甚至使其失效；如果与载人航天器相撞还可能危及航天员的性命。中国科学家正在尝试在700公里以下的近地轨道小卫星上装配薄膜离轨帆，在卫星寿命末期在轨展开，以增大气动阻尼方式实现其被动离轨。

▲“光帆”2展开

▲“光帆”1在厂房

▲美国宇航局的近地小行星侦察兵

美日的阳光冲浪

美国行星学会一直热衷于太阳帆技术，40年前就曾呼吁美国宇航局采用大型太阳帆对哈雷彗星开展探测。“光帆”2任务的成功是行星学会多年努力的结果。该机构曾研制了名为“宇宙”1的一颗卫星来试验太阳帆技术，但该星2005年由俄罗斯“波浪”火箭发射时因发射失败而未能入轨。2015年发射的“光帆”1开展了帆面展开试验，但因所在轨道过低而无法让帆面产生足以克服大气阻力的推力。

2004年8月，日本宇宙科学研究所（现为日本宇宙航空研究开发机构的一部分）利用探空火箭部署了两个原型太阳帆，对展开机构等进行了测试，但未涉及推进部分。2010年5月，日本宇宙航空研究开发机构发射的“伊卡洛斯”探测器首次成功验证了太阳帆推进。在展开的帆面，验证薄膜帆面能够通过采集太阳光光子的动量来推动飞行器前行。“伊卡洛斯”帆面厚度为7.5微米。该项目曾在2017年获得国际宇航科学院的优秀团队奖，表彰其在利用新技术开展太空探索方面的贡献。美国宇航局也曾在2010年发射了一个小型太阳帆立方星，名为“纳帆”。

到目前为止，世界上最大的太阳帆是日本宇宙航空研究开发机构的“伊卡洛斯”，其面积为196平方米。但面积大小并不意味着一切。“光帆”2的面积为32平方米，其加速度却差不多是“伊卡洛斯”的10倍。这是因为“光帆”2比“伊卡洛斯”更小、更轻，太阳帆需驱动的质量小。

行星学会没有开展“光帆”3任务的计划，但准备举办一项国际赛事，征集新项目思路，支持太阳系探测等方面的工作。美国其他一些机构已有太阳帆使用方面的计划。美国宇航局的“近地小行星侦察兵”是一项六体立方星任务，将会在“航天发射系统”火箭首飞时搭载发射。该卫星将利用太阳帆来飞越探测一颗近地小行星。行星学会同美国宇航局签有协议，涉及太阳帆技术数据互换。

虽然太阳帆技术目前只处于尝试和试验阶段，但人类探索未知和创新的脚步永远不会停歇。太阳帆技术被人类突破并掌握后，其应用前景十分广泛，包括可以用来探测太阳系或更远的宇宙，为立方星等小卫星提供在轨机动动力，还可能成为太空垃圾的清道夫等。