未來深空探測(cè)的有力推手——太陽帆

太陽帆飛行技術(shù)是未來深空探測(cè)非常有前景的推進(jìn)技術(shù)之一，其原理就是利用太陽的大面積薄膜上的反射光壓提供航天器飛行的動(dòng)力。由于這種推力很小，所以不能為航天器從地面起飛；但在沒有空氣阻力存在的太空，這種小小的推力仍然能為有足夠帆面面積的太陽帆提供 10-5～10-3g左右的加速度。如果先用火箭把太陽帆送入低軌道，則憑借太陽光壓的加速，它可以從低軌道升到高軌道，甚至加速到第二、第三宇宙速度，飛離地球，飛離太陽系。太陽帆理論上最高速度是光速的2%，也就是6 000 km/s。如果帆面直徑為300 m，則可把0.5 t質(zhì)量的航天器在200多天內(nèi)送到火星；如果直徑大到2 000 m，可使5 t質(zhì)量的航天器飛出太陽系。同火箭和航天飛機(jī)迅速消耗完的燃料相比，太陽光最大的好處是不會(huì)枯竭：只要有陽光存在的地方，它會(huì)始終推動(dòng)飛船前進(jìn)。

著名天文學(xué)家開普勒早在 400年前就曾設(shè)想過不攜帶任何能源，僅依靠太陽光的能量使飛船馳騁太空的可能性。他曾指出，彗星煙霧狀的尾部就是在太陽光影響下“不斷飄動(dòng)的”。開普勒還計(jì)算出太陽光可為宇宙飛船提供的具體推力。但直到1924年，俄國航天事業(yè)的先驅(qū)齊奧爾科夫斯基和其同事燦德爾才明確提出“用照射到很薄的巨大反射鏡上的太陽光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽帆——這種包在硬質(zhì)塑料上的超薄金屬帆的設(shè)想，成為今天建造太陽帆的基礎(chǔ)。

2001年7月20日，人類的第一個(gè)太陽帆“宇宙一號(hào)”從一艘俄羅斯的核潛艇上發(fā)射升空，但飛船由于沒能與第三級(jí)運(yùn)載火箭分離而墜毀。2005年6月，俄羅斯又用“波浪”火箭發(fā)射了以太陽光為動(dòng)力的“宇宙一號(hào)”（Cosmos-1）飛船，進(jìn)行太陽帆的首次受控飛行嘗試。該飛船由8片三角形聚酯薄膜帆板組成，耗資400萬美元，可惜在起飛83 s后遭到失敗。2004年8月，日本人研制的太陽帆升空并進(jìn)行了170 km高的短暫亞軌道實(shí)驗(yàn)，打開了兩個(gè)長約10 m的樹脂薄膜帆板，檢驗(yàn)了光帆展開的可行性，之后火箭和光帆墜入大海。

2010年5月21日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）利用H2A運(yùn)載火箭在種子空間中心搭載金星氣候軌道器“拂曉號(hào)”（AKATSUKI或行星-C號(hào)）成功發(fā)射太陽帆演示航天器IKAROS（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun，太陽輻射驅(qū)動(dòng)星際風(fēng)箏航天器），在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了太陽帆的在軌展開和運(yùn)行，其在設(shè)計(jì)、制備、姿態(tài)控制等各個(gè)方面均實(shí)現(xiàn)了較大的突破。

IKAROS太陽帆為四方形，厚度為7.5μm，質(zhì)量為16 kg，展開面積200 m2，利用航天器的旋轉(zhuǎn)離心力展開。其設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括以下4個(gè)方面：

1）太陽帆的空間展開。利用航天器自旋離心力實(shí)現(xiàn)200 m2的四方形太陽帆展開，并利用姿態(tài)敏感器和相機(jī)對(duì)太陽帆展開過程及展開后的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2）利用太陽帆上的薄膜太陽能電池發(fā)電。太陽帆上 5%的面積覆蓋無定形柔性硅太陽電池，可利用帆上電纜實(shí)現(xiàn)太陽能的傳輸，并利用這些傳輸線實(shí)現(xiàn)電池伏安特性曲線和其他特性的測(cè)試。

3）驗(yàn)證太陽帆上的太陽輻射壓。太陽帆上的太陽輻射壓約為1～2 mN，并利用定軌技術(shù)測(cè)試太陽輻射壓加速。

4）建立太陽帆導(dǎo)航和巡航技術(shù)。通過調(diào)整太陽帆方向?qū)崿F(xiàn)經(jīng)由太陽輻射壓的連續(xù)軌道機(jī)動(dòng)，利用反射控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽帆姿態(tài)控制。

以上1）和2）為本次任務(wù)的最低目標(biāo)，3）和4）為本次任務(wù)完全成功的目標(biāo)。IKAROS太陽帆在軌任務(wù)路線如圖1所示，其展開過程如圖2所示。

圖1 IKAROS太陽帆在軌任務(wù)路線

任務(wù)實(shí)施過程如下：

2010年5月21日，發(fā)射升空；

2010年5月24日，開始減速，頂端物分離工作；

2010年5月27日—6月8日，開始第一階段展開工作；

2010年6月9日，成功實(shí)現(xiàn)太陽帆在軌展開（第二階段展開）；

2010年7月9日，JAXA確認(rèn)IKAROS利用太陽帆加速成功；

2010年7月23日，JAXA宣布成功實(shí)現(xiàn)了太陽帆的姿態(tài)控制。

2010年12月8日，IKAROS在距離金星80 800 km處飛過，成功完成全部在軌任務(wù)。

圖2 IKAROS太陽帆展開過程示意

繼IKAROS太陽帆之后，2011年1月20日，NASA實(shí)現(xiàn)了世界首次低地球軌道太陽帆（Nanosail-D2）的成功展開和運(yùn)行，展開面積10 m2。經(jīng)過在軌約240 d的運(yùn)行，Nanosail-D2于2011年9月17日成功進(jìn)入大氣層，完成全部任務(wù)目標(biāo)。

太陽帆試驗(yàn)的成功為開發(fā)新型宇宙發(fā)動(dòng)機(jī)邁出重要一步。人類未來完全可以利用太陽帆從事深空探索，給太空旅行帶來一場新的革命。