“突破攝星”計劃

張雪松

2016年4月12日，英國物理學(xué)家斯蒂芬-霍金同俄羅斯商人尤·米爾納聯(lián)合宣布啟動“突破攝星”計劃。該計劃的目標(biāo)是研發(fā)出一種激光帆探測器，利用激光器將其加速到五分之一光速，用20年左右的時間飛到距離地球4.37光年的半人馬座阿爾法星。

瘋狂的“突破攝星”計劃

“突破攝星”計劃是人類歷史上前所未有的一項深空探測計劃。目前距離我們最遠(yuǎn)的探測器是美國發(fā)射的“旅行者一號”，它已經(jīng)飛行到距離地球300億千米外的地方，而半人馬座阿爾法星距離地球有4.37光年，大約41.3萬億千米?！巴黄茢z星”計劃的瘋狂程度由此可見一斑。

“突破攝星”計劃的核心是激光帆探測器，其質(zhì)量僅有幾克，包括微型芯片和激光帆兩部分。這種微型芯片與常規(guī)的計算機芯片大小相當(dāng)，它雖然袖珍，卻包含了導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)、遙測通信系統(tǒng)和拍攝設(shè)備等；激光帆的尺寸只有4米×4米，厚度僅幾十納米，它雖然輕薄，但動力推進(jìn)效果不容小覷。

這個超輕量級探測器將要探測的目的地——半人馬座阿爾法星，并非無人問津的蠻荒之地，那里有距離我們最近的恒星比鄰星（半人馬座阿爾法C星），極有可能存在發(fā)達(dá)的宇宙文明，因此，它一向是科幻小說中的熱門話題。我們熟悉的科幻大片《阿凡達(dá)》中的潘多拉星球，就位于半人馬座阿爾法星系統(tǒng)，而科幻小說《三體》同樣講述了來自半人馬座阿爾法星的三體星人“入侵”地球的故事。如果半人馬座阿爾法星系統(tǒng)的宜居地帶存在地球大小的行星的話，激光帆探測器將在距離它們一天文單位的地方掠過，同時拍攝行星的地形特征，這也正是“攝星”這個名字的由來。

核心技術(shù)

“突破攝星”計劃看起來復(fù)雜，但核心其實就是以下兩點：一是理論上更先進(jìn)的空間推進(jìn)系統(tǒng)；二是探測器的微型化、輕量化。

激光帆

空間推進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展是推進(jìn)“突破攝星”計劃得以出現(xiàn)的根本原因。常規(guī)的空間推進(jìn)技術(shù)包括化學(xué)火箭和電火箭：我們常見的運載火箭、飛船和探測器使用的都是化學(xué)火箭，這項技術(shù)非常成熟，“旅行者一號”正是依靠化學(xué)火箭飛到300億千米之外，但它基本已經(jīng)發(fā)展到理論極限，性能很難再進(jìn)一步提高；電火箭可以把探測器加速到更高的速度，但理論上也就是比化學(xué)火箭提高10倍左右。因此，兩種推進(jìn)技術(shù)對遙遠(yuǎn)的半人馬座阿爾法星都只能鞭長莫及。

太陽光是有壓力的，盡管光壓強度大約只有微弱的5×10^-6帕，一平方米面積上只有5×1 0^-6。牛的壓力，但在高度真空的太空中，光壓的威力就顯示出來了。從理論上說，雖然太陽帆的加速很慢，但卻可以長期持續(xù)加速，最終達(dá)到前所未有的高速，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的化學(xué)火箭和電火箭。目前，日本的航空研究開發(fā)機構(gòu)和NASA已分別成功發(fā)射了“伊卡諾斯號”太陽帆和“納米帆-D”太陽帆。

光壓隨著與太陽距離的增加會快速減小，這就要求將太陽帆發(fā)射到離太陽軌道極為接近的軌道上進(jìn)行加速，從而限制了經(jīng)太陽帆加速的探測器的深空探測范圍。針對太陽帆的弱點，人們提出了激光帆的概念。激光帆使用高能的激光代替太陽光，這樣就可以使探測器獲得更大的加速度和更長的加速距離。太陽帆技術(shù)的發(fā)展、實際軌道飛行試驗的成功、激光技術(shù)的快速進(jìn)步，這些都讓激光帆的概念逐漸從設(shè)想走向現(xiàn)實。

“突破攝星”正是打算以激光帆這種有望在不遠(yuǎn)的將來成為現(xiàn)實的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，向半人馬座阿爾法星這座“堡壘”進(jìn)軍！

超輕量級探測器

航天和電子技術(shù)的進(jìn)步，使衛(wèi)星體積和重量越來越小，功能卻越來越強。我國“長征六號”火箭去年首次發(fā)射的衛(wèi)星中就包括一顆幾百克的衛(wèi)星?，F(xiàn)階段，微衛(wèi)星和納衛(wèi)星正方興未艾，甚至還有人別出心裁地想出了“手機衛(wèi)星”的主意，即將一部手機改裝成試驗衛(wèi)星。按照“突破攝星”計劃的設(shè)想，超輕量級探測器雖然只是一塊幾厘米大小的芯片，但卻要集成從導(dǎo)航制導(dǎo)到拍攝通信等眾多功能，其中所要攻克的技術(shù)難度甚至比現(xiàn)在最“激進(jìn)”的“手機衛(wèi)星”更高。

影片《阿凡達(dá)》中巨大的ISV飛船使用的就是激光帆。盡管在科幻影片中，人類可以大膽暢想，但要考慮實際的話，在可預(yù)見的未來，我們只能設(shè)想對“突破攝星”計劃中幾克級別的探測器進(jìn)行加速。盡管可以滿足基本的導(dǎo)航、通信和拍攝功能，但超輕量級探測器并不是一個多面手，它只能簡單地拍攝和回傳信息。此外，即使是采用了最先進(jìn)的激光帆，我們也只能將重量僅幾克的超輕量級探測器加速到五分之一光速。

盡管“突破攝星”計劃的未來還是一個未知數(shù)，但作為兼顧人類想象力和工程能力的創(chuàng)舉，不管它能不能達(dá)到拍攝半人馬座阿爾法星系統(tǒng)類地行星的目標(biāo)，只要能利用激光帆使得超輕量級探測器抵達(dá)遙遠(yuǎn)宇宙深處進(jìn)行探索，這便是空前的偉績。