驭光飞行的太阳帆探测器

沈臻懿

提起“太空旅行”，人们显然不会陌生。1957年10月4日，苏联在拜科努尔航天中心用P-7洲际导弹改装的运载火箭把世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”（Sputnik-1）送往太空以来，在半个多世纪的时间里，世界各国已成功执行了数以万计的太空发射任务，甚至还包括了若干个直达太阳系边缘的深空探测器。

对于太阳系深处的秘密，人类始终怀揣着探索揭秘的科学精神。然而，现有火箭发动机工作时长不足、发射和燃料等费用极为昂贵等因素，制约着深空航天探测器的发展。当前，航天发射的总质量中，有超过九成被燃料所占。倘若能够大幅减少存储燃料的空间以及对于燃料的依赖，无疑将加速深空探测的前行步伐。

科学家们陆续提出了不少新型方案，以期人类向太空探索的脚步能走得更快、更远。这些技术方案中，一种名为“用太阳光帆来取代现有火箭发动机和燃料”的设想尤为引人关注。根据这一设想，太阳光帆能够让航天器穿梭于太阳系内部和恒星之间，并摆脱其对大型火箭发动机和巨量燃料的依赖。

在不可再生的化石燃料充斥全球能源领域的今天，有一群科学家别出心裁，关注起了“风帆时代”的能源动力。茫茫大海中，有风浪的存在即可扬帆起航。但在空气极为稀薄的太空，并没有我们所熟知的风，那又如何扬帆呢？

早在400多年之前，当人们还在持续探索广袤无边的海洋时，德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）就已经提出了单纯依靠太阳光能量对太空进行探索的设想。开普勒通过观察被太阳风吹动的哈雷彗星尾巴，坚信只要用船帆来捕捉到这种风，就能类似风在海洋上推动船舶一般，推动太空飞船前进。19世纪中叶，麦克斯韦方程组证实了“光子有动量”的事实。同期，著名科幻小说家凡尔纳在其构想中，大胆假设了用太阳帆到月球旅行的场景。不过，在随后的一百多年时间里，太阳光帆航天器一直停留在理论设想层面。随着日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）等国际航天机构的介入研发，太阳光帆技术才逐渐从设想迈向现实。

物理学研究揭示，光子没有静质量，但有一定的动量，并可将其动量传递给其他物体。因此，当太阳光的光子撞向太阳帆，航天器便可获得光子的动量。单个光子的动量虽然极小，但只要有足够多的太阳光子，航天器就可在太空中“扬帆起航”！鉴于太空中没有空气阻力，单位时间内落在太阳帆上的光子数量越多，航天器获得的加速度也就越大。由于太阳光的存在，可在整个星际航行中对航天器进行持续加速，从而达到化学能航天器无法企及的速度。同时，只要有足够大的光帆面积，就可以在单位时间内收集到更多的太阳光子。从理论上来说，太阳帆的尺寸没有上限制约，有科学家甚至提出了打造60万平方米太阳帆的设想。但如何部署如此巨大的光帆，仍是一项未能攻克的科技难题。

随着航天器飞行速度的提升，人们探索遥远星空的时间将会大幅缩短。我们知道，冥王星是太阳系中最遥远的天体之一，其距地球的最近距离为47.8亿公里，距地球最远的距离达75亿公里。假设采用完全由太阳驱动的光帆航天器，人们有望在不到5年的时间内飞抵冥王星。同采用现有技术的深空探测器飞掠冥王星的耗时相比，其足足可以节省下一半的时间，这也将大大节约星际旅行所耗费的光阴。尽管光帆的提速能力较为有限，但其可以长年累月地持续提速，最后厚积薄发为巨大的速度变化。

太阳光帆技术探测器的问世，有着其特定的科技发展背景。随着当前微小卫星技术的不断发展，研发成本较低的微小卫星成了科学家们探索太阳光帆技术的首选。除了成本相对低廉外，微小卫星重量轻、体积小的特点，也更有利于发挥太阳光帆的优势。

作為太空运输的全新尝试，太阳光帆技术探测器的最大亮点就在于其完全依赖太阳帆作为动力系统，并印证了太阳帆是立方体卫星的一种可行的驱动技术。为了更好地利用太阳光的能量，太阳光帆技术探测器上需要携带动量轮，从而实现太阳帆的翻转，控制太阳帆和阳光之间的夹角。当探测器向阳飞行时，在动量轮的控制下，光帆帆面与阳光之间呈平行排列，此时太阳光子就无法落在光帆上;当探测器背阳飞行时，动量轮则会控制光帆帆面与阳光方向垂直，此时就可以充分利用光子来推动探测器加速，从而抬高探测器的轨道。

太阳光帆技术探测器推进的重任，全部由太阳帆承担。除了光帆之外，探测器上没有其他任何动力装置。为了能够精确掌握探测器在太阳帆推进下的变轨情况，需要在探测器的底部加装一组镜面用于激光测距。地面控制站只需要将激光打到探测器底部的镜面，便可对其作出精确测距。目前，绝大多数的人造卫星都定位于400公里以内的低地球轨道。在这个高度，仍然会有极为稀薄的大气，会严重干扰光帆的正常运作。因此，太阳光帆技术探测器的轨道目前虽仍限定于近地轨道，但其设计轨道往往会更高，达到800公里以上便能够有效避免地球大气对于太阳帆带来的阻碍。

不可否认，太阳光帆技术目前仍处于实验阶段，但关于太阳光帆航天器的故事才刚刚拉开帷幕。完全由太阳驱动的航天器，可能将会引发航天器领域的一次重大变革。

现有航天器在获得自身速度时，主要来源于火箭的动力，后期则缺乏高度的机动性。反观太阳光帆航天器，从理论上来说，其可以无限利用光帆进行变速，较之现有航天器能实现更快的速度以及更为复杂的飞行路线。现有航天器的主要体积和重量，基本都来自携带的燃料。我们知道，太阳光帆航天器的动力，全部来自太阳光，自身并不需要携带燃料。这就使得太阳光帆航天器能够有更多的空间用于科学研究和资源运输等方面。由于太阳光帆航天器摆脱了燃料的限制，其使用寿命也将得以无限延长。只要航天器运行正常，就可以一直工作下去。近乎无穷无尽的太阳光，能够使太阳光帆航天器拥有比核动力航天器更长的理论寿命年限。

日本JAXA曾发射的金星探测器“伊卡洛斯”（IKAROS），不仅首次成功验证了太阳帆的推进力，更是世界上第一艘太空帆船。近期，该机构甚至提出了一项更具有挑战性的前景目标。其计划于2026年前后，发射升空一个光帆面积将达到1600平方米的巨型太阳帆探测器OKEANOS，用于前往探测与木星共用轨道的特洛伊群小行星（Trojan asteroids）。作为下一代太阳帆探测器的OKEANOS，将拥有两套动力。一套是太阳帆，另一套则是离子发动机。两者的结合，能够发挥出更大的效能优势。根据JAXA的研发，OKEANOS探测器将携带高分辨率质谱仪对木星进行探测。其太阳帆则将升级为太阳能帆，采用太阳帆和太阳能电池板作为混合动力，以此产生的电力，可供离子发动机使用。

或许在未来的某个时刻，人类便可“扬帆起航”，在阳光下遨游太空！

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com