太陽(yáng)帆飛船：讓我們飛得更遠(yuǎn)

●白　木　周　潔

2000年7月20日，俄羅斯?jié)撏в靡幻督?jīng)過(guò)改裝的“波浪”型導(dǎo)彈，在巴倫支海成功地進(jìn)行了太陽(yáng)帆飛船的發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

名為“宇宙1”號(hào)的太陽(yáng)帆飛船裝在導(dǎo)彈彈頭中，其中的太陽(yáng)帆在發(fā)射過(guò)程中處于折疊狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)彈彈頭在液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)約1200千米的太空軌道后，飛船與彈頭分離，并緩緩地張開了兩個(gè)花瓣?duì)?、總直徑約26米的太陽(yáng)帆。這艘太陽(yáng)帆飛船在近地軌道飛行約25分鐘后，按預(yù)定計(jì)劃返回了地球，并準(zhǔn)確降落至俄勘察加半島。

本次發(fā)射升空的“宇宙1”號(hào)為歷史上第一艘實(shí)驗(yàn)型太陽(yáng)帆飛船，它是由俄羅斯馬克耶夫科學(xué)生產(chǎn)企業(yè)和巴巴金研究中心共同研制成功的。這次實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試形如花瓣的兩個(gè)太陽(yáng)帆能否在太空中順利打開并產(chǎn)生動(dòng)力。安裝在太陽(yáng)帆飛船表面的攝像裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程進(jìn)行了拍攝。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，地面控制人員啟動(dòng)了飛船上的充氣制動(dòng)裝置，使飛船表面被特制的氣囊所覆蓋。在氣囊的制動(dòng)下，飛船在稠密的大氣中的返回速度可降至每秒約16米。氣囊中的特制氣體，可防止與大氣摩擦?xí)r所產(chǎn)生的熱量損壞飛船上的儀器。

據(jù)悉，俄羅斯、美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)的專家在距離發(fā)射水域約56千米的考察船上，仔細(xì)觀察了太陽(yáng)帆飛船的此次出航。專家們認(rèn)為，測(cè)試進(jìn)行得非常成功。

太陽(yáng)帆飛船的提出

30年前，當(dāng)三名宇航員乘坐“阿波羅11”號(hào)宇宙飛船實(shí)現(xiàn)具有歷史意義的登月之旅時(shí)，約20米高的運(yùn)載火箭共攜帶了2500噸燃料。為了擺脫龐大的運(yùn)載工具，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直設(shè)想開發(fā)一種以陽(yáng)光為能源的光帆航天器。

20世紀(jì)初，幾位科學(xué)幻想小說(shuō)家曾寫過(guò)有關(guān)用反射鏡面推動(dòng)宇宙飛船的故事。但直到1924年，前蘇聯(lián)航天事業(yè)的先驅(qū)康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和其同事弗里德里?！N德爾才明確提出“用照到很薄的巨大反射鏡上的陽(yáng)光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽(yáng)帆——一種包在硬質(zhì)塑料上的超薄金屬帆——的設(shè)想，成為今天建造太陽(yáng)帆的基礎(chǔ)。

1976年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家曾提出過(guò)大規(guī)模建造太陽(yáng)帆的計(jì)劃。他們建議制造一艘太陽(yáng)帆飛船，與1986年返回太陽(yáng)系的哈雷彗星相會(huì)。但美國(guó)航空航天局認(rèn)為這一方案面臨的風(fēng)險(xiǎn)太大，從而中止了太陽(yáng)帆的研究。近年來(lái)，隨著微電子和材料科學(xué)的飛速發(fā)展，一直探索更快、更好、更便宜的空間飛行方式的美國(guó)宇航部門,重新將目光投向了太陽(yáng)帆計(jì)劃。美國(guó)航空航天局的科學(xué)家們稱，第一艘飛往太陽(yáng)系邊緣的光帆航天器可在10年內(nèi)發(fā)射。

目前，美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局和美國(guó)空軍已提出建造用于監(jiān)視太陽(yáng)表面活動(dòng)的太陽(yáng)帆計(jì)劃。它將用傳統(tǒng)的火箭將太陽(yáng)帆飛船送到距地球150萬(wàn)千米的地方，在此，太陽(yáng)的引力與地球的引力相互平衡。到達(dá)此處之后，航天器展開一個(gè)直徑70米的較小的帆，通過(guò)精心選擇傾角，展開的帆即可提供所需的能量，使飛船向太陽(yáng)方向繼續(xù)飛行150萬(wàn)千米，并與地球保持同步。從這一有利地點(diǎn)，它就能監(jiān)視干擾衛(wèi)星和破壞地面電網(wǎng)的太陽(yáng)磁暴，在磁暴襲擊地球前兩小時(shí)發(fā)出警報(bào)。這一時(shí)間幾乎比目前的預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)了1倍。

除此之外，太陽(yáng)帆計(jì)劃還包括發(fā)射在高緯度繞地球飛行的商業(yè)衛(wèi)星和一項(xiàng)飛向水星的計(jì)劃。承擔(dān)這種任務(wù)的帆要求面積更大，密度更低。專家仍認(rèn)為,利用一個(gè)邊長(zhǎng)100米、密度為每平米10克的帆提供動(dòng)力即可到達(dá)水星，而且速度比用火箭推進(jìn)更快。

太陽(yáng)帆飛船的原理

太陽(yáng)帆飛船是一種利用太陽(yáng)光的壓力進(jìn)行太空飛行的航天器。由于太陽(yáng)光子具有源源不斷、方向固定等特點(diǎn)，在沒(méi)有空氣阻力的宇宙中，航天器無(wú)須攜帶任何燃料，太陽(yáng)光的光子會(huì)不停地撞擊太陽(yáng)帆，使太陽(yáng)帆所獲得的動(dòng)量不斷增加，從而形成加速度。使用太陽(yáng)帆的航天器可以借助這種動(dòng)力，達(dá)到很高的飛行速度。據(jù)計(jì)算，直徑為300米的太陽(yáng)帆，可使重約0．5噸的航天器在200多天內(nèi)飛抵火星。如太陽(yáng)帆的直徑可增加到2000米，則太陽(yáng)帆就能把重約5噸的航天器送出太陽(yáng)系。

人們知道，光是由沒(méi)有靜態(tài)質(zhì)量但有動(dòng)量的光子構(gòu)成的，當(dāng)光子撞擊到光滑的平面上時(shí)，可以像從墻上反彈回來(lái)的乒乓球一樣改變運(yùn)動(dòng)方向，并給撞擊物體以相應(yīng)的作用力。單個(gè)光子所產(chǎn)生的推力極其微小。在地球到太陽(yáng)的距離上，光在1平米帆面上產(chǎn)生的推力只有9×10－6牛，還不到一只螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從陽(yáng)光中獲得加速度，太陽(yáng)帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。

太陽(yáng)帆是一個(gè)展開后僅有100個(gè)原子厚的巨型超薄航帆，太陽(yáng)帆飛船飛行起來(lái)很像大洋中的帆船，改變帆的傾角即可調(diào)整前進(jìn)方向。而且只要幾何形狀和傾角適當(dāng)，它可以飛向包括光源在內(nèi)的任何方向。借助陽(yáng)光的推力，這種航天器可以飛向太陽(yáng)系的邊緣并進(jìn)入星際空間。如果輔以從地球軌道射出的強(qiáng)力激光束，它可以飛得更遠(yuǎn)，直至到達(dá)離太陽(yáng)系最近的恒星。

飛向人馬座成為可能

如果前往離我們最近的人馬座γ星的恒星際宇宙飛行能夠成功，我們就能得到解開宇宙年齡等宇宙之謎的大量線索。但是航天飛機(jī)這樣的化學(xué)燃料火箭加速度為17g，也就是只有地球重力17倍的加速能力。使用航天飛機(jī)要用10年時(shí)間到達(dá)43光年之遙的人馬座γ星，必須持續(xù)加速兩個(gè)月以上，這是不可能的。為了持續(xù)加速兩個(gè)月，航天飛機(jī)就得裝載更多的燃料，這使它的重量之大，以至于根本離不開發(fā)射臺(tái)。

不僅如此，為了用10年時(shí)間到達(dá)半人馬座γ星，必須維持05倍以上的光速。然而隨著接近光速，等在前面的一個(gè)難關(guān)便出現(xiàn)了，這就是“愛因斯坦狹義相對(duì)論”指出的速度越快質(zhì)量越大的規(guī)律。當(dāng)速度達(dá)到光速的075倍左右時(shí)，其質(zhì)量將變成15倍。由于質(zhì)量增大，推進(jìn)力即使加大也無(wú)法加速，所以航天飛機(jī)必須造得盡可能輕些。

用激光束鼓起宇宙飛船的光帆由此獲得推進(jìn)力。由于激光束幾乎不會(huì)發(fā)散，激光束可以從太陽(yáng)系中射出，所以能夠?qū)嵭斜匾牟倏v和管理，設(shè)備的更新也有了可能。更重要的是，宇宙飛船再?zèng)]有搭載燃料的必要了，宇宙飛船便能造得更輕。在加速到亞光速的情況下，宇宙飛船的質(zhì)量不大，是一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)。

為了把宇宙飛船送至半人馬座γ星，得用激光束加速約1年,使宇宙飛船的速度達(dá)到光速的1／3左右，此后切斷激光束，宇宙飛船轉(zhuǎn)入慣性飛行。在接近半人馬座γ星時(shí)，光帆的外圈逐次斷開，形成同心圓狀的三部分，把光帆的最外側(cè)移至宇宙飛船的前部，同時(shí)再次發(fā)射強(qiáng)大的激光束，于是宇宙飛船后部的光帆便被罩在強(qiáng)光之中，宇宙飛船便獲得了制動(dòng)力。當(dāng)然，來(lái)自宇宙飛船身后的激光束仍照射在光帆上構(gòu)成推進(jìn)力。但是宇宙飛船外側(cè)的光帆面積是內(nèi)側(cè)兩個(gè)光帆面積的9倍,制動(dòng)力比推進(jìn)力起到更大的作用。對(duì)半人馬座γ星的探測(cè)結(jié)束，準(zhǔn)備踏上歸途，處在中間的環(huán)狀光帆被取下，此時(shí)光帆仍在反射激光束，并使宇宙飛船獲得與來(lái)路相反的推進(jìn)力得以飛返地球。顧國(guó)建圖