太陽(yáng)帆船即將啟航

筱　丁

眾所周知，浮在水面上的帆船，借助風(fēng)力就能前進(jìn)。在這種思想啟發(fā)下，早在20世紀(jì)20年代，就有人設(shè)想，能不能在太空也揚(yáng)起一張大帆，借助太陽(yáng)光壓頂在帆上，也能推著飛船在宇宙空間里前進(jìn)呢?

這是個(gè)非常有創(chuàng)意的構(gòu)想，但是直到20世紀(jì)50年代，人們才搞清了太陽(yáng)帆的飛行原理?？墒前雮€(gè)世紀(jì)過(guò)去了，利用太陽(yáng)帆作為新的航天工具始終未能實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)閷?shí)際飛行還需解決許多非常復(fù)雜的技術(shù)難題。2002年日本文化科學(xué)部宇宙科學(xué)研究所重新把‘這項(xiàng)工作提上日程，提出了一種與原來(lái)歐美設(shè)想截然不同的張帆辦法，并研究于2009年用太陽(yáng)帆進(jìn)行金星或木星的星際航行的具體方案。

太陽(yáng)帆的行進(jìn)原理

太陽(yáng)光是一種電磁輻射，組成光線的粒子(即光子)在遇到物體后，能夠?qū)ξ矬w產(chǎn)生壓力，這就是光壓。光壓對(duì)地球的影響是很微小的，幾乎不被人注意。就地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道上的太陽(yáng)光的光壓而言，僅有大約10^-6牛頓/米²(受壓面與太陽(yáng)光線垂直時(shí))，由此產(chǎn)生的加速度約0.03～1.00毫米/秒²。盡管加速度很小，但是，如果長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作用的話，它可積累很大的速度增量而不消耗燃料，因而是星際航行中最經(jīng)濟(jì)最理想的交通工具。因?yàn)樵谔?yáng)系內(nèi)太陽(yáng)的能量是取之不盡的，這一點(diǎn)正是太陽(yáng)帆的優(yōu)越性所在。

揚(yáng)帆方式

原來(lái)歐美研究人員設(shè)想的帆就像飄在空中的風(fēng)箏那樣，大多需要在骨架上張帆。日本文化科學(xué)部宇宙科學(xué)研究所現(xiàn)在探討的帆沒(méi)有相應(yīng)的骨架，而是卷纏在衛(wèi)星主體上，靠衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)產(chǎn)-生的離心力使帆張開(kāi)。

因?yàn)樘?yáng)的光壓非常小，所以對(duì)帆所用的材料有極高的要求：它既要輕，展開(kāi)的面積又要大，而且在發(fā)射到太空前又能折疊得很小，到達(dá)一定軌道時(shí)才自動(dòng)展開(kāi)。由于巨大的帆進(jìn)入太空前需要收藏在火箭內(nèi)，所以發(fā)射的時(shí)候，帆是卷纏在衛(wèi)星主體外，整體直徑1米左右，非常緊湊。發(fā)射到宇宙空間后，通過(guò)衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使折疊的帆一點(diǎn)點(diǎn)地展開(kāi)，像打開(kāi)傘那樣展開(kāi)帆。

作為帆的材料，目前被視為最好的一種是被稱為“聚酰亞胺”高分子材料制成的薄膜，它經(jīng)真空鍍鋁后即可作為帆使用?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)用的高空氣球使用的聚乙烯材料，因其不耐熱，也不耐紫外線和宇宙射線照射等，所以不適合用作太陽(yáng)帆。另外，聚酰亞胺具有抗熱和抗宇宙射線的特性，故這種材料也被用來(lái)涂敷在人造衛(wèi)星表面，用以絕熱。

著眼星際航行

太陽(yáng)帆的飛行任務(wù)可分兩類(lèi)：一類(lèi)是近地飛行任務(wù)，另一類(lèi)為星際飛行。在這兩類(lèi)飛行任務(wù)中，太陽(yáng)帆的控制策略是不同的。在近地飛行時(shí)，太陽(yáng)帆每繞軌道飛行一圈，其帆面就轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，顯然，在近地飛行時(shí)，要求太陽(yáng)帆能在短時(shí)間里做大的角度改變。但是，如果是用于星際空間的航行又另當(dāng)別論了。如太陽(yáng)帆需飛向外行星(如火星)時(shí)，需調(diào)整帆面姿態(tài)產(chǎn)生加速度，如太陽(yáng)帆需飛向內(nèi)行星(如金星)時(shí)，則需調(diào)整姿態(tài)產(chǎn)生負(fù)的加速度。不管是哪一種情形，都沒(méi)必要在短時(shí)間內(nèi)大幅度改變帆的角度，所以采用離心力張帆的方式更合適。

至此，讀者或許會(huì)擔(dān)心宇宙空間中存在許多小塵埃，如果這些塵埃撞在帆上，會(huì)否在帆上砸出許多小窟窿，使星際航行歸于失敗。事實(shí)上，按過(guò)去的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算，如果在6年的星際航行中，太陽(yáng)帆將會(huì)被星際塵埃擊出大約200萬(wàn)個(gè)小窟窿，其面積約占整個(gè)帆的1.5％。專家認(rèn)為，在這種狀態(tài)下不會(huì)影響飛行。另外，聚酰亞胺薄膜本身韌性很好，再加上真空鍍鋁，實(shí)驗(yàn)表明，即使被稍大的物體撞擊，也不會(huì)開(kāi)裂。

首次實(shí)驗(yàn)取得成功

2008年8月9日，日本宇宙科學(xué)研究所為了試驗(yàn)太陽(yáng)帆能否在宇宙空間順利地張帆，在鹿兒島縣內(nèi)之浦火箭發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了s-310火箭(全長(zhǎng)約7.1米，直徑31厘米)?；鸺那岸舜钶d了兩種類(lèi)型的太陽(yáng)帆。這次試驗(yàn)的帆沒(méi)有正式航行用帆那么大，僅是其十分之一，即展開(kāi)直徑僅10米，厚度僅7.5微米的聚酰亞胺薄膜，分別卷成直徑約100毫米的圓柱。在這次實(shí)驗(yàn)中做了“三葉草型”和“扇面型”兩種展開(kāi)方式的試驗(yàn)。發(fā)射100秒后，到高度122千米，首先展開(kāi)三葉草型的帆。發(fā)射220秒后甩掉三葉草型，接著10秒后在高度169千米再次展開(kāi)扇面型。盡管太陽(yáng)帆在美國(guó)也進(jìn)行了研究，但是在宇宙空間成功地把帆展開(kāi)，這在世界上還是第一次。

總之，歷經(jīng)長(zhǎng)久夢(mèng)想而未能實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)帆終于走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)地經(jīng)受宇宙空間惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，并將肩負(fù)起科學(xué)探索的使命，航行于宇宙海洋中。

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