太陽帆：太空中的綠色動力——訪國際宇航科學院院士朱毅麟

□ 本刊記者 陳彩連

問：什么是太陽帆？

答：所謂太陽帆，就是一個在太空展開的面積很大、表面平整、光滑、無斑點和皺紋的薄膜，薄膜一般由聚酯或聚酰亞胺等高分子材料制成，表面鍍鋁或銀，使其具有全反射的特性。

問：太陽帆是如何獲得動力的？

答：太陽光傳送光和熱，照到人身上，人會感到暖洋洋的，但從來也沒有人感覺到太陽光有壓力。實際上，太陽光是有壓力的，因為光具有兩重性，既是電磁波，又是粒子——光子。光線實際上是光子流，當光子流受到物體阻擋時，光子就撞到該物體上，就像空氣分子撞到物體上一樣，它的動能就轉化成對物體的壓力。

“伊卡洛斯”奔向金星示意圖

不過，太陽光產生的壓力——光壓是非常非常小的。不僅人感受不到，就連普通的儀器也測不出來。在地球附近，太陽光照射到一個平整、光亮、能完全反射光的表面時，產生的壓力最大，大約是9×10－6牛/平方米，也就是說1000平方米平整光亮的面積上才受到9毫牛的壓力，只相當于一個2分硬幣的重量。在地面上，由于重力、大氣壓力、空氣阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太陽光壓力被淹沒在這些宏觀力的汪洋大海之中，顯現不出。

“伊卡洛斯”太陽帆帆面結構

“山中無老虎，猴子稱大王?！钡搅颂罩?，重力、大氣壓力、空氣阻力、摩擦力等幾乎完全消失，太陽光壓才有了出頭之日。一些具有創(chuàng)新思維的人開始想到利用太陽光壓來推動航天器在太空飛行。早在上一世紀初，俄羅斯宇航理論先驅齊奧爾科夫斯基就提出過這一大膽的設想。以后，又有不少科學家進行過研究。然而，只有當科學技術發(fā)展到今天的水平，在有強大的火箭把航天器送入太空的條件下，利用太陽光作為航天推進力才有了實現的可能。

問：太陽能夠提供的動力足以維持航天器的運行嗎？

答：太陽光壓的大小是與接受太陽照射的面積成正比的。受照面積越大，產生的壓力越大。為了獲得一定的壓力，必須有足夠大的受照面積，一塊面積為105平方米×105平方米（約一個足球場大?。┑奶柗?，在太陽光正射下可獲得大約100毫牛的力，用它推動100千克的物體，可產生1毫米/平方秒的加速度。這個加速度極其微小，只有地面重力加速度的大約一萬分之一。

另外俗話說得好：“涓涓細流匯成大海，塊塊碎土堆成高山?！彼俣鹊扔诩铀俣扰c時間的乘積，盡管加速度非常小，只要時間足夠長，終能達到一定的速度。即使航天器的加速度只有1毫米/平方秒，那末，一天以后，速度達到86.4米/秒（合時速311千米）；一個月后達到2592米/秒（約7.6 倍音速）；130天后，就可超過第二宇宙速度。達到11.23千米/秒；一年后可達到31.54千米/秒，足以飛出太陽系，由此可見加速度不在大，時間長則靈。

“伊卡洛斯”帆面展開示意圖

問：用太陽帆作動力有哪些優(yōu)點？

答：迄今為止，航天飛行都是用化學火箭作動力，需要攜帶大量推進劑。想要達到的速度越大，需要的推進劑越多。由于受到可攜帶推進劑數量的限制，化學火箭只能短時間工作。

太陽帆用作航天動力的最大特點是：不需要攜帶任何推進劑或工作介質，只要有太陽光就行。太空中太陽光是用之不盡的，太陽帆工作不受時間限制，真像是一部“永動機”。它比較適用于長時間、遠距離和超遠程的航天飛行，例如，太陽系內的行星航行和飛出太陽系的恒星際航行，特別是對于需要返回的航天飛行，可以免去攜帶回程用推進劑的重負。

利用太陽帆和離子發(fā)動機探測木星示意圖

用太陽帆作航天動力的另一優(yōu)點是清潔、安全。太陽帆不消耗能源，不發(fā)生化學變化。不產生廢氣、廢物，不污染環(huán)境，是人們所希望的、保護太空環(huán)境的“綠色動力”。

利用太陽帆產生的力可以用來提升或降低衛(wèi)星的運行軌道；太陽帆不僅可以使航天器遠離太陽飛行，調整太陽帆相對于太陽的不同角度，也能使航天器迎著太陽飛行，如同水面上帆船利用風力在帆與舵的控制下逆風行駛一樣。這對于未來行星際航行是很有意義的。