行星協(xié)會和它馭光而行的探索旅程

詹森·戴維斯

啟航：從追尋世界上最著名的彗星開始

譯/ 梁炳鑫

1607年，歐洲上空出現(xiàn)了一顆彗星。

沒有人知道這顆彗星是1531年出現(xiàn)過的那一顆，也沒有人知道1682年它會再次造訪。許多年后，天文學家埃德蒙多·哈雷將發(fā)現(xiàn)這是一顆軌道周期為7 5年的彗星，并預測它將于1759年再次出現(xiàn)。但是在1607年，沒有人知道這一點，它只不過是一顆再尋常不過的彗星，給處在科技復興時代的人們帶來了一點天文軼事。

36歲的德國天文學家約翰內斯·開普勒也是一位彗星觀測者，他懷著極大的興趣觀測了這次彗星造訪。開普勒很想知道，是什么讓這顆彗星在劃過天空時寬闊的尾部擴散開來，變成一個長長的彗尾。他認為應該是太陽光的加熱作用使彗星表面物質脫離。雖然開普勒沒辦法證明自己的假設，但這一觀測仍然非常了不起，并且最終被證明是正確的。從彗星上脫落的冰和塵埃形成了被稱為彗發(fā)的臨時大氣層。太陽風將彗發(fā)中的塵埃顆粒沿各個方向吹散，其中一些逃脫彗星的引力作用，形成了延伸的彗尾。

太陽光線能與天體相互作用的理念讓開普勒相信，或許有一天太空帆也能靠捕獲太陽光來驅動，就像船帆借助風力一樣。在1608年寫給伽利略的一封信中，開普勒寫到，或許有一天人類能夠運用這種技術踏上拜訪其他星球的旅程——

?“水手4”號擁有四個太陽能葉片，利用陽光產生的壓力來維持航天器的穩(wěn)定。

“假如船和帆能夠利用天堂的微風，就一定會有勇者擁抱那片虛空。”

但是直到1865年詹姆斯·克拉克·麥克斯韋證明光是由叫作光子的能量粒子構成的時，開普勒的想法才獲得學術證據(jù)的支持。麥克斯韋證實，光子具有能量和動量，可以傳遞給其他物體。當光子撞上反射面，比如閃光的太陽帆，就會推動帆前進。20世紀早期，一對俄羅斯科學家將麥克斯韋的研究與真正的工程學概念結合了起來。1924年，工程師弗雷德里克·桑德爾這樣寫道：“對于星際空間的飛行，我的想法是使用超薄的巨大片狀反射鏡做帆板，應該能夠達到良好的效果。”

20世紀50年代，火箭技術的飛速發(fā)展將人類推向了太空時代的邊緣，太陽帆的設想再一次興起。這一次，它出現(xiàn)在科幻雜志里。在《驚駭科幻故事》1951年5月刊中，電子工程師卡爾·懷利提出了一種降落傘式的太陽帆，朝向太陽打開，降落傘通過繩索拖拽后方的航天器。懷利設想的這種帆直徑4000米，面積61平方千米。他寫道：“宇宙飛船應當?？吭诃h(huán)繞地球飛行的人造衛(wèi)星上，旅客和貨物可以通過火箭在地球和飛船之間往返。船體本身需要在人造衛(wèi)星上建造?！庇?/p>

于這一想法過于天馬行空，懷利只好用羅素·桑德斯的假名對它進行發(fā)表，以此致敬名為“羅素- 桑德斯耦合”的量子物理學概念。

1957年，第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射讓太空衛(wèi)星從科幻變成了現(xiàn)實。僅僅1年之后，太陽帆開始出現(xiàn)在科學著作中。到了20世紀60年代，剛剛成立的美國航空航天局（NASA）獲得了充足的資金，按照肯尼迪總統(tǒng)定下的“10年內送人類登月”的目標，奮起直追。在這一時期，NASA資助了一系列有關太陽帆的研究。但是在20世紀70年代的后阿波羅時期，由于NASA資金緊縮，太陽帆的研究被擱置了起來。

在俄亥俄州巴特爾紀念研究所，一位叫作杰羅姆·懷特的工程師獨自繼續(xù)鉆研，決心證實太陽帆的可行性。起初，NASA是讓懷特研究哪種火箭系統(tǒng)能夠把太陽帆送上太空，但懷特更進一步，開始研究使用太陽帆登陸其他星球的可能性了。

在這一過程中，懷特發(fā)現(xiàn)了千載難逢的機會：一條可以讓太陽帆和1986年回歸的哈雷彗星相遇的軌道。1607年，正是這顆彗星引發(fā)了對太陽帆的探索，而如今它有望成為該技術的首個目的地。

第一次聽說杰羅姆·懷特的想法時，路易斯·弗里德曼對太陽帆所知甚少。他在紐約布朗克斯區(qū)長大，獲得了康奈爾大學工程力學碩士學位以及麻省理工學院航空航天專業(yè)博士學位，是一位科學家兼工程師。1970年，他進入NASA位于加利福尼亞州帕薩迪那的噴氣推進實驗室，參與了“水手”號和“旅行者”號深空探測任務的工作。他還領導了噴氣推進實驗室的高級項目組，致力開發(fā)航天任務的新技術。

? ? 直升機式太陽帆靠近哈雷彗星的藝術想象圖。直升機式太陽帆具有12個旋轉的扇片，每個扇片長達6400米。

弗里德曼知道，太陽光產生的壓力可以在太空中推動物體。他在自己的博士論文中，針對非引力作用力對航天器的影響進行建模，探究了這一現(xiàn)象。1960年至1964年，NASA發(fā)射了兩個噴鍍聚酯薄膜的大型氣球，以測試通信信號在全國范圍內傳遞的方式。由于氣球又大又輕，它們可以很輕易地被太陽光推動。

“水手4”號是第一個飛經(jīng)火星并傳回照片的探測器，它擁有四個太陽能葉片，利用太陽光壓力的平衡來保持穩(wěn)定。在“水手10”號探測任務中，工程師在探測器姿態(tài)控制氣體用完后再次利用了太陽光，讓探測器的太陽光反射板定向排列，利用太陽光來推動它旋轉并保持穩(wěn)定。

弗里德曼在自己的著作《駛向外星：太陽帆與星際旅行》中回憶了自己在聽到懷特關于發(fā)射太陽帆與哈雷彗星接觸的想法時，與JPL 實驗室的一位同事進行的討論：

“你是指飛掠，而不是著陸吧？”

“不，我指的就是著陸。”

“即使這趟旅行要花10年時間？”

“如果只需要1年呢？”

對于拜訪另一個天體，航天器有兩種選擇：一種是飛掠目標，盡可能多地獲取數(shù)據(jù);另一種是攜帶大量燃料，發(fā)動引擎減速并進行著陸。在哈雷彗星上著陸似乎是不可能的。地球圍繞太陽以30千米/秒的速度逆時針旋轉，而哈雷彗星順時針從地球軌道平面下方進入太陽系。在靠近太陽時，哈雷彗星會被加速，以40千米/秒的速度掠過地球。

這些數(shù)據(jù)意味著想讓航天器在彗星上著陸必須做大量的工作，不但必須抵消地球30千米/秒的速度，還得讓航天器獲得逆向40千米/秒的速度，并且傾斜自己的軌道平面。

實現(xiàn)這一目標的方法之一是使用極其強大的火箭。實際上，研究組考慮過這種方案，提議使用巨型的“土星5”號火箭把航天器送上木星。然后利用木星的強大引力作用，使航天器繞過這顆大型行星，進入與哈雷彗星相吻合的逆向軌道。但杰羅姆·懷特認為，更好的方法是使用太陽帆。

使用化學燃料的火箭可以提供短時間內的巨大作用力。與此不同，太陽帆雖加速緩慢但持久，最終可以達到高很多的速度。根據(jù)帆的角度，太陽光產生的力可以對航天器的繞軌速度進行加速或者減速?！肮住碧柗紫葧p速，以內旋接近太陽。在那里，太陽的能量可以轉化為大量動能，將太陽帆送入一個不同的軌道。

NASA對這個想法很感興趣，資助了“哈雷”太陽帆的初期研究。1975年，懷特加入噴氣推進實驗室，與弗里德曼等工程師一起開展這項工作。他們的團隊考慮了兩種設計方案。第一種是正方形類似風箏的帆，每邊長500米，背面由四條帆杠支撐起整個帆的結構。每條帆杠的末端都有一個小型太陽能葉片，可以通過角度調整來控制航天器的姿態(tài)。這個設計方案簡潔優(yōu)雅，但是團隊擔心這樣的帆缺乏硬度，可能會因為搖擺而無法建?；蛘呖刂?。

第二種設計是直升機式的，像兩個疊在一起的吊式風扇。每個“風扇”有六個扇片，通過旋轉為太陽帆提供更好的穩(wěn)定性。但是直升機帆仍然需要具有和正方形帆相同的表面積，每個扇片的長度都必須超過6400米。盡管如此，研究組還是選擇了直升機式的設計。后來，弗里德曼有些后悔做出這個選擇，因為它在美學和技術上都存在問題。

當時，在太空組裝部署這么大的結構面臨巨大的困難，直到1973年航天飛機被批準建造，情況才得到改變?！昂教炱魉闶谴笮陀行лd荷，利用有效載荷艙，我們就可以把它部署到太空中去，”弗里德曼說，“這讓大家開始探索能夠部署大型太空結構的實用設計。”

那么，尚未制造出的航天飛機能否讓宇航員將太陽帆送入地球軌道，并在有效載荷艙進行部署？有可能。

雖然航天飛機為發(fā)射有效載荷提供了新途徑，但它耗資巨大，不斷吞噬NASA預算中越來越多的份額。20世紀70年代是行星探索的黃金時期，“先驅者”號、“維京”號、“旅行者”號任務傳回了海量圖像和數(shù)據(jù)。然而，1978年至1990年，國會和白宮沒有批準任何一項行星探索任務。

歐空局的“喬托”航天器在距離僅60萬干米的地方拍攝的哈雷彗星

布魯斯·默里博士是時任NASA噴氣推進實驗室的主任，他非常堅定地認為“哈雷”太陽帆具有重要的科學價值。他還解釋說，這樣的任務會激發(fā)公眾對行星探索的興趣。1978年，“哈雷”太陽帆完成了初期設計研究，但時間非常緊迫。為了讓航天器有足夠時間與哈雷彗星相遇，發(fā)射任務必須在1982年之前完成。而在此之前，還需要在航天飛機上對太陽帆組裝技術進行實際演練。

與此同時，NASA正在進行離子動力推進器的實驗，使用電子剝離氣體——例如氙氣——中的電子來產生離子。這些離子可產生低推力的持續(xù)動力。和太陽帆一樣，離子動力推進器也計劃通過航天飛機的有效載荷艙進行發(fā)射。

雖然離子推進器最終會為若干項行星探索任務提供動力，但對當時的“哈雷”太陽帆來說，這項技術還不夠成熟。直升機式太陽帆技術也并不成熟，弗里德曼回憶說，這個想法還是過于雄心勃勃了。

即使直升機式太陽帆或者離子動力推進器已經(jīng)準備好發(fā)射，航天飛機也沒有到位，它的首次飛行被推后至1981年，機載操作任務1982年才啟動。對適當測試和發(fā)射“哈雷”太陽帆這樣的長周期任務來說，都為時已晚。

在噴氣推進實驗室，默里要求拿出一個更實際的直接飛掠哈雷彗星的任務方案。為了讓任務順利實施，他甚至直接跑到白宮去游說。但在1981年，里根政府為了應對聯(lián)邦預算赤字大幅度削減經(jīng)費，NASA沒有任何理由要求政府向“哈雷”太陽帆放款。最終，美國這個行星探索領域的領導者，將不會去拜訪世界上最著名的彗星。

然而，俄羅斯、日本和歐空局都發(fā)射了飛掠哈雷彗星的航天器，它們被統(tǒng)稱為“哈雷艦隊”。俄羅斯的航天器第一個經(jīng)過哈雷彗星，但最近距離接觸的榮譽屬于歐空局的“喬托”探測器。1986年3月，“喬托”號以挑戰(zhàn)死亡的近距離穿過哈雷彗星的彗尾，在僅60萬千米外拍下了它的彗核。NASA的國際彗星探測者，最終在遠達2800萬千米的地方觀測了哈雷彗星。

1982年，默里卸任噴氣推進實驗室主任一職。在努力將“哈雷”太陽帆送上太空的同時，他和路易斯·弗里德曼以及卡爾·薩根于1980年共同建立了行星協(xié)會。這個基于會員制、非營利性的太空組織致力向決策者展示民眾對行星探索的支持。1981年，該組織開始出版一份叫作《行星報告》的雜志。在創(chuàng)刊號中，卡爾·薩根這樣描述行星協(xié)會的目標：

“如果我們取得成功，或者至少是某些專家認為我們能夠達到的那種成功，我們或許不僅能展示民眾對行星探索的支持，還能夠為促成某些關鍵任務提供專項資金。”

這些任務里一定包括太陽帆。探索如何馭光而行的旅程尚未終結。