光帆

宇宙中竟然有大量的行星，天文學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)使得科幻小說中我們對(duì)于星系外的世界的夢(mèng)想慢慢在實(shí)現(xiàn)。研究這些遙遠(yuǎn)的行星能告訴我們地球究竟有多神奇，而且也會(huì)使我們對(duì)太空中我們的居所有更多的了解。這樣的想法促使美國航空航天局開始對(duì)星星進(jìn)行觀測(cè)。但是觀測(cè)是一回事，要對(duì)它們進(jìn)行實(shí)地探索是非常困難的。如果只能采用當(dāng)今的技術(shù)，即便是要到達(dá)離我們最近的恒星也要花上數(shù)千年的時(shí)間。1998年我與美國航空航天局共同開展了一項(xiàng)有關(guān)推進(jìn)技術(shù)的研究，它能夠使航天器飛到另一個(gè)足夠遠(yuǎn)的星球以完成其使命，這樣任務(wù)要花費(fèi)40年的時(shí)間，相當(dāng)于一個(gè)教授一生用于科研的時(shí)間。最后我們只提出了3個(gè)在現(xiàn)在看來站不住腳的解決方案：核聚變、反物質(zhì)和射束能量。當(dāng)然，如今只有射柬能量有了充分研究并成為任何一個(gè)現(xiàn)實(shí)的近期研究計(jì)劃的一部分。很容易理解為什么射束能量這么有吸引力，當(dāng)你開車長(zhǎng)途旅行時(shí)。你要找加油站去加油，同時(shí)汽車也得能持續(xù)工作。相反地，現(xiàn)在的航天器必須隨身攜帶其需要的燃料。而且必須要在沒有人類干預(yù)的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。那么能否把發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料都保留在地球上呢?除了能使飛行中的修復(fù)成為可能，這樣的安排可以減輕航天器的重量，那樣它就可以更容易地加速，射束能量或許就可以解決這一問題。工程分析表明使航天器做長(zhǎng)時(shí)間飛行的最好方法，就是把一束強(qiáng)大的光學(xué)激光照在一個(gè)大而薄的“帆”上。早在1984年羅伯特·L富沃德就第一次提出了這種想法。激光可以遠(yuǎn)距離傳輸能量，而光帆所具有的大面積使得它可以獲得與其規(guī)模有關(guān)的大量能量。

其他類型的射束能量，如微波也有這樣的用途。有些科學(xué)家甚至考慮把一種帶電粒子射向航天器。這些粒子在將要到達(dá)航天器時(shí)，會(huì)穿過一條超導(dǎo)磁圈，產(chǎn)生的洛侖磁力會(huì)提供推動(dòng)力。就目前看來，把激光打在光帆上是最切實(shí)際的選擇。當(dāng)激光光子打在光帆上，會(huì)有兩種結(jié)果：一是它可以與光帆上的原子周圍的電磁場(chǎng)發(fā)生彈性碰撞并被反射回來；二是光子可以被光帆材料吸收，這個(gè)過程可以使光帆溫度有極小地提高。兩個(gè)結(jié)果都可以提高速度，但是通過反射提高的速度是吸收的兩倍。因此，最有效的光帆是能夠反射激光束的那種。激光產(chǎn)生的加速度與它傳送給光帆的力量成正比，而與航天器的大小成反比。與其他的推進(jìn)力方法一樣，光帆的作用受其熱性能和材料強(qiáng)度，以及我們?cè)O(shè)計(jì)小型航天器的能力的限制。已經(jīng)有人提議光帆應(yīng)當(dāng)由那些具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的拋光的金屬薄膜制成。

光帆被加熱后，可以傳輸?shù)哪芰烤蜁?huì)受到限制。因?yàn)殡S著金屬表面溫度提升，其反射力就會(huì)變得比較小。如果在光帆背面涂上一種可以有效吸熱的材料，那么光帆的溫度就會(huì)相對(duì)比較低，那樣它的加速度就會(huì)提升。為了達(dá)到非常高的速度，航天器必須保持它的加速度。光帆能達(dá)到的最快速度取決于地球上發(fā)出的激光是否能有效地照亮其目標(biāo)。眾所周知，激光有一個(gè)重要的屬性就是一致性，是指它傳遞的能量不受距離的影響，直到到達(dá)其散射距離。只要超過散射距離，激光所傳輸?shù)哪芰狂R上就變得微乎其微。激光的散射距離以及由其提供能量的航天器能達(dá)到的最快速度取決于激光的光圈大小。非常強(qiáng)大的激光可能由一組緊密排列在一起的數(shù)百束小激光組成，其有效孔徑差不多是整個(gè)排列的直徑。當(dāng)數(shù)百束小激光排列盡可能緊密時(shí)，就可以傳送最大限度的能量。我們?cè)兄瞥鼍o密度接近百分百鑲嵌式的排列。在位于加利福尼亞帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，我的團(tuán)隊(duì)在研究任務(wù)成本時(shí)對(duì)單獨(dú)的激光束和排列的大小進(jìn)行了衡量。要完成一次星際飛行，需要一個(gè)巨大的光圈。依照我們的設(shè)計(jì)，如果要在40年內(nèi)把一個(gè)探測(cè)器送到恒星半人馬座α星，這個(gè)激光圈排列的直徑需要是1000千米。幸運(yùn)的是，探索行星的任務(wù)需要的光圈要小很多。如果用一個(gè)46億瓦特的激光來給一個(gè)鍍金的直徑50米的光帆照明，那么只需要一個(gè)15米寬的光圈，就可以把一個(gè)重10千克的有效載荷在10天內(nèi)送到火星。這一系統(tǒng)可以用三四年的時(shí)間把一個(gè)探測(cè)器送到太陽風(fēng)與星際介質(zhì)的邊界。光帆航天器可以自動(dòng)追隨光束，因此調(diào)整方向的工作可以在地球上完成。甚至可以在光帆上放置一種反射外圈，它可以在即將到達(dá)目的地的時(shí)候脫離。這種圈可以像原先那樣繼續(xù)向前行進(jìn)，把激光反射到已經(jīng)和它分離的光帆的中心部分，從而推動(dòng)光帆返回。很多與光帆有關(guān)的工作已經(jīng)完成，美國國防部已經(jīng)研制出高功率激光器和具有精確定位能力的光束，以此作為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和反衛(wèi)星武器研究的一部分。此外，旨在反射太陽光線的帆狀構(gòu)造已經(jīng)被測(cè)試過。俄羅斯科學(xué)家已經(jīng)制造出一個(gè)旋轉(zhuǎn)的、直徑有20米的有機(jī)聚合物太陽能反射鏡——“旗幟2”號(hào)，它是一項(xiàng)旨在冬天給俄羅斯北部城市提供額外照明的計(jì)劃的一部分。按計(jì)劃，另一個(gè)直徑有25米的反射鏡也將要被測(cè)試。在美國，美國國家海洋和大氣管理局正計(jì)劃在4年內(nèi)發(fā)射一個(gè)由太陽能光帆提供動(dòng)力的航天器。它將在太陽和地球之間的不穩(wěn)定軌道運(yùn)行，在那里可以對(duì)太陽風(fēng)暴產(chǎn)生的粒子進(jìn)行一小時(shí)的預(yù)報(bào)。美國航空航天局正在考慮一個(gè)研發(fā)出激光光帆作為一種代替常規(guī)火箭的可能的、低成本的飛行計(jì)劃。正在考慮的任務(wù)既有在地球軌道中建一個(gè)直徑100米的光帆，也有要完成一段通過我們行星系統(tǒng)邊緣沖擊波的旅程。在不久的未來。實(shí)驗(yàn)室可以測(cè)試參與探索火星、柯伊伯帶和星際介質(zhì)等任務(wù)的光帆材料所具有的屬性。位于新墨西哥州的白沙導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)使用的軍用兆瓦級(jí)化學(xué)激光可以用來照射安排在航天器上的光帆，以此來測(cè)試照射后的加速度。此外，計(jì)劃在5年內(nèi)研制出的能夠輕易脫離電網(wǎng)的兆瓦級(jí)激光，能夠使光帆在軌道之間轉(zhuǎn)換。據(jù)我估計(jì)，這樣的激光可以在10年內(nèi)給探索月球的科學(xué)任務(wù)提供能量。我們可以把光帆看作是未來的一個(gè)可能研制成功的科研成果，可以使人類能夠快速地拜訪太陽系內(nèi)遙遠(yuǎn)的地方以及太陽系外的太空，而不用花費(fèi)太多。未來它們可以使探索遙遠(yuǎn)的恒星成為現(xiàn)實(shí)。

亨利·M.哈里斯是加利福尼亞帕薩迪納噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一名物理學(xué)家，主要研究星際探索。他也設(shè)計(jì)太空飛船和進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)。哈里斯也是一名爵士樂手，他還寫了一本關(guān)于科學(xué)和靈性的小說。

理論上的光帆：在未來，由地球上的激光驅(qū)動(dòng)的飛行器可以把傳感器送到太陽系遙遠(yuǎn)的地方或者是其他恒星。光帆的反射表面可以使速度最大化。小規(guī)模的結(jié)構(gòu)可以攜帶輕型的有效載荷。