太陽能驅(qū)動(dòng)的宇宙航行

比爾·奈

你知道當(dāng)前的月相嗎？我們當(dāng)中的大多數(shù)人對(duì)此一無所知;如今我們也根本無需知道。但在路燈和電燈充斥在我們生活的角角落落之前，人們會(huì)孜孜不倦地觀察夜空。因此在1607年，當(dāng)一顆十分明亮的彗星出現(xiàn)在天空中時(shí)，人們對(duì)它是又害怕又著迷。

這顆劃過天際的彗星就是我們現(xiàn)在所熟知的哈雷彗星（以英國科學(xué)家愛德蒙·哈雷的名字命名，他計(jì)算出了該彗星的軌道），德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒曾對(duì)他當(dāng)年看到的景象進(jìn)行過深入思考。他推斷，哈雷彗星的華麗尾部可能是因太陽的溫度使彗星表面的物質(zhì)蒸發(fā)或釋放而產(chǎn)生的。開普勒曾想象過去探索星空：“只要船或帆能適應(yīng)天上的微風(fēng)，就一定會(huì)有人無懼無垠的天際?！?/p>

畢竟在16世紀(jì)和17世紀(jì)，船舶很常見，它們由風(fēng)驅(qū)動(dòng)，而太陽的熱則是風(fēng)的成因之一。得益于尼古拉·哥白尼的理論與探索，在開普勒生活的時(shí)代，人類已經(jīng)開始了解我們是生活在一個(gè)圍繞著一顆恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星之上的。那么，開普勒想象人類在星空中航行或許可以說是自然而然的了。

1977年，我坐在康奈爾大學(xué)卡爾·薩根的天文課堂上時(shí)，宇宙航行在我看來顯然是再自然不過的事情。薩根生動(dòng)形象地描述了他想象一艘航天飛船在重力和軌道力學(xué)的約束下運(yùn)行，從星球間滑過的景象。它將在廣袤的宇宙中航行，以無盡星空中的星光為動(dòng)力，一往無前。

我的教授曾經(jīng)描繪的夢(mèng)想如今正被世界上最大的非官方太空組織——行星協(xié)會(huì)實(shí)現(xiàn)，薩根在1980年共同參與創(chuàng)辦了該機(jī)構(gòu)（如今由我負(fù)責(zé)）。2015年6月，協(xié)會(huì)測(cè)試了它通過眾籌籌款建造的光動(dòng)能宇宙飛船“光帆1號(hào)”。在本文發(fā)表時(shí)，我們正準(zhǔn)備于秋季在美國的卡納維拉爾角發(fā)射它的下一代飛船“光帆2號(hào)”，它將由SpaceX“獵鷹”重型火箭送入地球軌道。

在開普勒首次寫下關(guān)于星際航行的文字大約三個(gè)世紀(jì)后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光的性質(zhì)是純能量——它能促使事物前進(jìn)、運(yùn)轉(zhuǎn)或發(fā)生。目前我們知道每個(gè)光子有多少能量。盡管光子沒有質(zhì)量，它們卻有動(dòng)量。

我們或許都知道滾動(dòng)的保齡球有動(dòng)量，它們能將動(dòng)量傳遞給保齡球瓶。當(dāng)保齡球擊中球瓶時(shí)，球瓶倒下即得分。此外，如果你曾經(jīng)被保齡球擊中過胸腔（就像我在一檔兒童電視節(jié)目中經(jīng)歷的一樣），你就會(huì)知道它的動(dòng)量有多大。

相反地，光的動(dòng)量是一種超乎我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的概念，對(duì)于我們來講可能有點(diǎn)難以理解：你置身戶外，站在陽光下的時(shí)候，根本不會(huì)感到陽光能把你推來推去。光的力量，尤其是一個(gè)光子的力量，實(shí)在是微乎其微——因此在地球上，太陽光壓會(huì)被你受到的其他壓力抵消，例如摩擦力和重力。

要是我們能利用大量光子的能量，又不會(huì)受到其他阻力的影響會(huì)怎樣呢？據(jù)我們所知，只有一個(gè)地方能擺脫所有的摩擦力和重力：外太空。

自上世紀(jì)20年代起，人們就開始設(shè)想一種質(zhì)量很小、體積很大的飛船，被光子的壓力推動(dòng)著在宇宙間自由穿行，就如同氣體的分子——空氣——推動(dòng)著帆船在大海上航行那樣。

利用太陽能航行的精妙之處不僅在于概念，還在于其效率。一旦進(jìn)入軌道，飛船就不再需要任何燃料推動(dòng)了。盡管光的推動(dòng)力很小——每平方米光帆上只有九微牛頓（約合一百萬分之一千克）——這與傳統(tǒng)的火箭引擎不同，然而它卻永遠(yuǎn)也不會(huì)耗盡。因?yàn)樘柍掷m(xù)不斷地發(fā)出光芒，能量雖然微小，卻每分每秒都在不斷地累積。

以下就是“光帆2號(hào)”的飛行原理。我們的飛船最初和一塊面包的大小相當(dāng)：10厘米×10厘米×30厘米，是當(dāng)今立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)大小和形狀。好在，由于地球軌道上幾乎沒有空氣，所以飛行器的外形無需制成光滑的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)。

飛船中的小隔室里裝有亮晶晶的光帆;在軌道上，它們將展開，成為邊長超過5.5米的正方形。陽光推動(dòng)光帆時(shí)，地面上的控制人員能操控飛船上體積很小的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，讓它在宇宙中調(diào)轉(zhuǎn)方向。繞地球飛行時(shí)，我們將讓光帆的邊緣側(cè)向太陽，然后扭轉(zhuǎn)或停住飛船，使陽光垂直照射在光帆上，然后再固定光帆的邊緣，使其側(cè)向每條軌道。

它就像一艘帆船，只不過是在宇宙中而非在天空中航行，并且直接由陽光驅(qū)動(dòng)。與在巨大的海邊船塢中造船不同，光帆是在美國加利福尼亞州一座座小小的陸上實(shí)驗(yàn)室中建造完成的（盡管可以用于沖浪）。

在從事打造“光帆2號(hào)”的任務(wù)期間，我們期望能夠聚集軌道能量，從而讓我們了不起的小飛船攀升至越來越高的軌道。我們希望它能發(fā)回自身和地球的美麗圖像，我們還相信它將從根本上提高航天技術(shù)。這些光帆飛船任務(wù)是全世界為降低宇宙探索成本所做努力的一部分，通過這些任務(wù)獲得的經(jīng)驗(yàn)，那些成本高得使人難以負(fù)擔(dān)或是不可能實(shí)現(xiàn)的飛行未來也將能得以完成。

例如：太陽偶爾會(huì)在名為“日冕物質(zhì)拋射（CME）”的過程中釋放出巨大的能量，這些能毀壞衛(wèi)星上攜帶的電子設(shè)備的帶電粒子流在太空中的移動(dòng)速度非?？臁贿^還是要比光子的運(yùn)動(dòng)速度稍遜。

正如開普勒曾經(jīng)指出的那樣，靠近太陽軌道的物體比遠(yuǎn)離太陽軌道的物體運(yùn)動(dòng)速度快，因?yàn)樘栆δ芷鸬綘坷饔谩Ｈ绻覀儑L試將一顆衛(wèi)星放在一條軌道上，使它與太陽之間的距離和金星與太陽之間的距離相當(dāng)，然后我們計(jì)劃飛船與地球同步——好吧……它辦不到。相反，它會(huì)徑直朝太陽飛去，然后被太陽吞沒。要讓它留在這條軌道上，飛船需要另一個(gè)恒定的外力。光帆能提供持續(xù)的推動(dòng)力，飛船上的儀器會(huì)探測(cè)到日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象并給我們發(fā)來警報(bào)信號(hào)。我們可以操控臨近的地球軌道衛(wèi)星，好讓它們能夠轉(zhuǎn)向，始終背向粒子流——但我們關(guān)鍵的飛船則要遭受一點(diǎn)小損害。

我們希望“光帆2號(hào)”能發(fā)回自身和地球的美麗圖像。我們相信它將從根本上提高航天技術(shù)。

在具備光帆航行同樣特征的情況下，我們可以將一艘裝備了紅外望遠(yuǎn)鏡的飛船送入地球軌道，與地球同步運(yùn)行。這艘飛船能將它的熱感望遠(yuǎn)鏡朝向遠(yuǎn)離太陽的方向，探索冰冷漆黑的宇宙，說不定能發(fā)現(xiàn)一顆將要與地球相撞的危險(xiǎn)小行星發(fā)出的光亮。

也可能，光帆飛船可以被安置在幾乎永遠(yuǎn)位于地球北極或南極上空的軌道上，用來監(jiān)測(cè)天氣和氣候的變化。光帆飛船是一項(xiàng)剛剛起步的技術(shù)，甚是迷人，也十分了不起。

想想我們所生活的現(xiàn)代世界和探索帶來的巨大影響吧。你正在瀏覽的電子設(shè)備或紙質(zhì)書刊，你駕駛的汽車，你乘坐的飛機(jī)和火車，你吃的食物，你穿的衣裳，它們之所以存在，都是因?yàn)槲覀兊南热藢W(xué)會(huì)了如何在無垠的大海……未知的大陸……無盡的宇宙中前行。

在行星協(xié)會(huì)，我們的使命是推動(dòng)空間科學(xué)和探索的發(fā)展。大多數(shù)生活在地球上的人日復(fù)一日、年復(fù)一年地忙忙碌碌，過著日子，卻從沒思考過宇宙——但當(dāng)我們放眼宇宙，付諸行動(dòng)，我們就能做出了不起的成就。通過邀請(qǐng)世界公民參與到光帆飛船的任務(wù)中——倡導(dǎo)科學(xué)基金、出席行星協(xié)會(huì)的活動(dòng)、訂閱更新的發(fā)射信息——我們給他們提供了一個(gè)參與未來、使宇宙民主化，以及幫助我們所有人獲得一個(gè)以重要的新視角看待宇宙以及宇宙中我們所處的世界的機(jī)會(huì)。向星空致敬！

繼續(xù)前行……

隨著“光帆2號(hào)”準(zhǔn)備進(jìn)入地球軌道，這里也要介紹一些關(guān)于那條軌道上一顆舊衛(wèi)星的信息。1958年3月17日，美國將“先鋒1號(hào)”（左）送入軌道時(shí)，它是世界上第一顆太陽能衛(wèi)星。1964年，它停止了傳送信息——但發(fā)射升空后的60余年來，它一直在繞軌道飛行，“先鋒1號(hào)”因而成了宇宙中最古老的人造衛(wèi)星。截至目前，它已經(jīng)繞地球飛行了約23.9萬圈，美國國家航空航天局的大衛(wèi)·威廉姆斯說，而且“大多數(shù)人推測(cè)它還將在軌道上繼續(xù)飛行數(shù)百年”。