即將“啟航的太陽光帆”

文｜張唯誠

即將“啟航的太陽光帆”

文｜張唯誠

科學(xué)家推出“光帆”新計(jì)劃

美國行星學(xué)會一直致力于研發(fā)太陽光帆，它是一種被太陽光子推動的新型太空船。2009年11月，美國行星學(xué)會宣布說，他們將于2010年底之前發(fā)射一艘名為“光帆一號”（LightSail-1）的實(shí)驗(yàn)型太陽光帆太空船。根據(jù)行星學(xué)會的描述，“光帆一號”是一艘實(shí)驗(yàn)型的小型“太陽光帆”，也是他們計(jì)劃發(fā)射的三艘系列“太陽光帆”的開篇之作。它由三個“立方體衛(wèi)星”（CubeSat）結(jié)構(gòu)組成，將在距地面800千米的軌道上展開一個邊長為5.5米、厚度僅為4．6微米的以聚酯薄膜為材料的太陽光帆，整艘飛船的重量大約為4.5千克。

太陽光帆雖是一種新型的太空船，但近十幾年來，人們對它卻并沒有少提起，這應(yīng)歸功于它的創(chuàng)導(dǎo)者之一、美國行星協(xié)會主席路易斯·弗里德曼（Louis Friedman）的不懈努力。早在20世紀(jì)70年代，弗里德曼就職于美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時他就提出發(fā)射一枚以太陽光帆為推進(jìn)器的航天器去會合將于1986年靠近地球的哈雷彗星的建議，那時設(shè)計(jì)的太陽光帆達(dá)60萬平方米，其面積之大令人難以置信，技術(shù)上也難以實(shí)現(xiàn)。

此后，弗里德曼與他人一起組建了美國行星協(xié)會，并與俄羅斯航天科學(xué)家們建立了合作伙伴關(guān)系，他們共同工作，立志要把人類的第一艘太陽帆飛船送上太空。2001年7月20日，發(fā)射的時刻終于來臨，人類的首個太陽光帆飛船“宇宙一號”從一艘俄羅斯核潛艇上發(fā)射升空，然而發(fā)射很快失敗，飛船未能和火箭分離，最后折翼人海。不久，弗里德曼他們又重新建造新的光帆，名字仍為“宇宙一號”，2005年6月22日，新建成的“宇宙一號”再次發(fā)射，而這一次，它同樣沒有按照人們的意愿成功地進(jìn)入預(yù)定軌道，由于運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，這艘新型飛船在升空不久即與地面失去聯(lián)系。

“宇宙一號”發(fā)射失敗后，太陽光帆的研究并沒有停止，世界各地的科學(xué)家都仍不斷地致力于太陽光帆的研究和實(shí)驗(yàn)，包括歐洲空間局、美國航天局和日本空間局等。

但是，自2005年“宇宙一號”發(fā)射失敗后，至今還沒有新的太陽光帆飛船進(jìn)入太空軌道上運(yùn)行。

光子的神奇力量

在執(zhí)行太空任務(wù)的過程中，航天器飛臨目的地往往要耗費(fèi)漫長的時間，而抵達(dá)目的地后的考察活動則并不像長途跋涉那樣耗費(fèi)時日，例如“旅行者號”探測器就花了幾年時間才抵達(dá)土星，而在土星系統(tǒng)里的考察活動卻只用了幾天時間，所以速度是太空旅行的一個關(guān)鍵問題。自1926年羅伯特·戈達(dá)德發(fā)射了第一枚液體化學(xué)燃料火箭以來，太空任務(wù)主要依賴化學(xué)燃料，但“化學(xué)火箭的問題就是太慢，它們一開始便燃盡了絕大多數(shù)燃料，而后面的路程只得依靠滑行?！睘榱斯?jié)省燃料和提升航天器的速度，科學(xué)家為此巧妙地設(shè)計(jì)了航天器的運(yùn)行軌道，讓航天器在行星引力的幫助下奔向目的地。

化學(xué)火箭的另一個突出問題是它的燃料效率太低。根據(jù)美國約翰遜太空中心的太空發(fā)射分析專家布雷特·G·德雷克（BretG·Drake）分析，用現(xiàn)在的化學(xué)火箭推進(jìn)技術(shù)，假若將6名宇航員送上火星，選擇最節(jié)省燃料的線路，人們需要將1000噸重的物體發(fā)射出去，而這其中的90%將是燃料，這就好比你開車從紐約去舊金山，你的車只有一噸重，而你用掉的汽油竟然是9噸。

與傳統(tǒng)的太空船不同，太陽光帆并不依靠燃料發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力遨游太空，而是借助太陽光產(chǎn)生的光壓來獲取推力，它最擅長距離遙遠(yuǎn)的太空旅行，所以科學(xué)家認(rèn)為，在未來的星際旅行中，太陽光帆很有可能成為前往其他星球的最合理的航天器。

“宇宙一號”太陽光帆面積為530.93平方米，根據(jù)測算，它可以獲得的推力僅為255克，不過在太空中，這一點(diǎn)力量就不可小視了，因?yàn)檫\(yùn)行中的航天器處于失重狀態(tài)，又無空氣阻力，所以輕微的推力就可以讓它加速，而更為重要的是，這樣的加速會一直持續(xù)下去，最終達(dá)到相當(dāng)快的速度。從理論上說，一個行星際太陽帆只要加速三年時間，其速度便能大大超過現(xiàn)在正在以高速飛往冥王星的“新地平線號”。

“光帆三號”將飛向太陽

即將升空的“光帆一號”是一艘實(shí)驗(yàn)型的小型太陽光帆，體積比“宇宙一號”要小得多，重量只相當(dāng)于“宇宙一號”的二十分之一。它由三個“立方體衛(wèi)星”（CubeSat）結(jié)構(gòu)組成，一個攜帶電子裝置和控制模板，包括監(jiān)視帆面的攝像機(jī)、一個無線電收發(fā)系統(tǒng)和一臺控制太空船和帆面的電腦，還有測量光壓的裝置和全球定位系統(tǒng)，它們合在一起能有效地控制“光帆一號”的飛行。另外兩個攜帶太陽光帆組件，它們將負(fù)責(zé)展開一個邊長為5.5米、厚度僅為4.6微米的以聚酯薄膜為材料的太陽光帆，整艘飛船的重量大約為4.5千克。

“光帆一號”將在距地面800千米的軌道上飛行，一旦科學(xué)家確定它獲得了加速度并認(rèn)定其能量來自于太陽的光壓后，此次實(shí)驗(yàn)便被視為成功。但此次飛行僅是太陽光帆系列飛行的一部分，科學(xué)家將在“光帆一號”飛行成功后發(fā)射“光帆二號”和“光帆三號”，它們的飛行時間和有效載荷將逐步增加，從而獲得更多的在軌信息。

科學(xué)家認(rèn)為，盡管目前太陽光帆還無法完成遠(yuǎn)距離星際旅行的任務(wù)，但在不遠(yuǎn)的將來，它將成為研究和監(jiān)測太陽活動的理想工具。

根據(jù)預(yù)測，未來的太陽光帆可以達(dá)到比現(xiàn)在工作于拉格朗日點(diǎn)上的太陽探測器更接近太陽2~3倍距離的地方，這意味著它能大大提前針對于太陽活動的預(yù)警時間，這是其他種類的探測器難以做到的。太陽光帆將成為人類監(jiān)測太陽活動的好幫手。