光帆之路

編譯 邢鴻飛

成功部署太陽(yáng)帆，讓40載夢(mèng)想成真。

光帆2號(hào)在部署運(yùn)行期間，下加利福尼亞半島和墨西哥在其身后的背景中清晰可見(jiàn)。它的雙185度魚(yú)眼照相機(jī)鏡頭可以捕捉到大半個(gè)帆的范圍

一家小型非營(yíng)利組織實(shí)現(xiàn)了40多年來(lái)的太空旅行壯舉夢(mèng)想：證明了只用太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)航天器在地球軌道上運(yùn)行是可能的。

2019年6月，在109個(gè)國(guó)家擁有5萬(wàn)名會(huì)員的行星協(xié)會(huì)（Planetary Society）用SpaceX的獵鷹重型火箭將一枚5公斤重的宇宙飛船送入軌道，該火箭計(jì)劃為美國(guó)空軍搭載24艘宇宙飛船。

被稱為“光帆2號(hào)”的宇宙飛船被送入距地球約720公里的軌道。

經(jīng)過(guò)初步測(cè)試，飛船部署了一個(gè)拳擊場(chǎng)地大小的反射聚酯薄膜，從那時(shí)起，它就在陽(yáng)光的壓力下“航行”。

早在1977年，行星協(xié)會(huì)的創(chuàng)始人，天文學(xué)家卡爾·薩根就提倡用光帆作為宇宙飛船的推進(jìn)器。

它們的工作原理是組成光的光子即使沒(méi)有質(zhì)量，也有動(dòng)量，能對(duì)光線照射到的任何物體施加溫和的壓力。通過(guò)用鏡子反射光線，這種壓力可以增加1倍，這就是為什么光帆2號(hào)的船帆使用了一層銀色薄膜。

薩根的夢(mèng)想是用一個(gè)大的光帆推動(dòng)一艘宇宙飛船。

行星協(xié)會(huì)的首席執(zhí)行官、科學(xué)教育家比爾·奈（Bill Nye）說(shuō)：“早在20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)的提議是在哈雷彗星(上一次哈雷接近太陽(yáng)是在1986年)的一側(cè)安裝一個(gè)1公里長(zhǎng)的太陽(yáng)帆，以追逐彗星。”

由于預(yù)算問(wèn)題和有人認(rèn)為想法不切實(shí)際，這個(gè)提議很快被放棄。然而，被稱為立方體衛(wèi)星的小型航天器的開(kāi)發(fā)重新喚起了人們的興趣。立方體衛(wèi)星是由10厘米×10厘米×11.35厘米的小塊組件構(gòu)成。(光帆2號(hào)由其中的三個(gè)方塊組成)。

它們不僅發(fā)射成本低廉，而且質(zhì)量小，非常適合輕裝航行。不像薩根的彗星追逐者計(jì)劃那樣需要100萬(wàn)平方米的光帆，光帆2號(hào)只需要32平方米的帆。

這艘飛船體積小，操作起來(lái)非常容易。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗倪\(yùn)行需要光帆在環(huán)繞地球旋轉(zhuǎn)時(shí)迅速改變方向，就像一艘帆船隨不斷變化的風(fēng)向轉(zhuǎn)向。

該項(xiàng)目的首席科學(xué)家兼項(xiàng)目經(jīng)理布魯斯·貝茨（Bruce Betts）說(shuō)，實(shí)際效果非常顯著。在部署太陽(yáng)能帆后的8天里，飛船將軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)(離地球最遠(yuǎn)的點(diǎn))提升了1.7公里。

印第安納州普渡大學(xué)航空航天學(xué)副教授、項(xiàng)目經(jīng)理大衛(wèi)·斯賓塞（David Spencer）在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“3天前，我們得到的最大變化是在900米多一點(diǎn)?！?/p>

光帆2號(hào)的設(shè)計(jì)目的是測(cè)試對(duì)光帆的操控能力?！斑@一直是一個(gè)示范任務(wù)?！毙行菍W(xué)會(huì)的首席運(yùn)營(yíng)官詹妮弗·沃恩（Jennifer Vaughan）表示。

而它的成功具有重要的應(yīng)用意義。美國(guó)宇航局（NASA）有一個(gè)六立方衛(wèi)星近地小行星（NEA）任務(wù)，名為NEA Scout，計(jì)劃在2020年的某個(gè)時(shí)候發(fā)射，也將使用光帆推進(jìn)。

斯賓塞說(shuō)：“我們已經(jīng)就技術(shù)和研究成果分享達(dá)成了協(xié)議。我們真的很期待他們把太陽(yáng)能航行技術(shù)提升到更高的水平。”

美國(guó)宇航局設(shè)在亞拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾航天飛行中心的首席研究員萊斯·約翰遜（Les Johnson）對(duì)此表示贊同。

他在光帆2號(hào)發(fā)射前告訴Cosmos：“我們都是太陽(yáng)能舵手，想要達(dá)到同樣的目標(biāo)?！?/p>

這可能只是一個(gè)開(kāi)始。光帆不需要燃料，因此永遠(yuǎn)不會(huì)耗盡動(dòng)力；它們是完成長(zhǎng)期任務(wù)的理想選擇，尤其是有些任務(wù)可能需要航天器進(jìn)行大量低加速操縱。

奈指出，例如，光帆可以用來(lái)定位地球和太陽(yáng)之間的宇宙飛船，在那里，宇宙飛船可以提供多達(dá)4到6小時(shí)的預(yù)警，警告我們前方可能出現(xiàn)的太陽(yáng)輻射爆發(fā)的危險(xiǎn)。或者，這樣的宇宙飛船可以向外尋找之前未知的可能對(duì)地球構(gòu)成威脅的小行星。

奈還說(shuō)：“太陽(yáng)帆非常適合在更接近太陽(yáng)的軌道而非地球軌道上定位，保持自己的位置。”

光帆還可以用來(lái)將航天器固定在不穩(wěn)定的軌道上，比如將衛(wèi)星永久置于地球兩極的軌道上，或者，它們可以用于多個(gè)小行星（太陽(yáng)系外甚至是其他恒星）的長(zhǎng)期任務(wù)。

奈表示，如果是普通的宇宙飛船，燃料最終會(huì)耗盡。這種燃料永遠(yuǎn)不會(huì)耗盡。

此時(shí)，光帆2號(hào)的任務(wù)并沒(méi)有結(jié)束。斯賓塞說(shuō)：“我們?nèi)栽谂Ω倪M(jìn)航行控制。”他說(shuō)，短期目標(biāo)是繼續(xù)提高宇宙飛船的遠(yuǎn)地點(diǎn)。但這種做法的副作用是降低了宇宙飛船的近地點(diǎn)（距離地球最近的地方）。而且，即使它在地球表面上方700公里處，我們星球上稀薄的外逸層也有足夠的空間對(duì)如此輕的宇宙飛船施加阻力。斯賓塞說(shuō)：“近地點(diǎn)越低，大氣的阻力就會(huì)越大，我們不可能克服這種阻力?！彼a(bǔ)充說(shuō)，使用不同的航行技術(shù)來(lái)提高飛船的近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)是可能的，但這不是此次任務(wù)的目標(biāo)。他說(shuō)：“從物理學(xué)的角度來(lái)看，這當(dāng)然是可能的，但這不在我們的近期計(jì)劃之內(nèi)?！?/p>

相反，光帆2號(hào)將使用它的帆來(lái)研究外層大氣的阻力，直到飛船最終返回地球并燃燒殆盡。

與此同時(shí)，奈說(shuō)，除了科學(xué)目標(biāo)，這次任務(wù)還實(shí)現(xiàn)了其他重要目標(biāo)。

首先，它的成本大約是NASA等常規(guī)太空機(jī)構(gòu)本應(yīng)負(fù)擔(dān)的1/20。

當(dāng)然，如果沒(méi)有其他原因，允許控制小組在整個(gè)軌道上與飛船交談，而不是僅在它位于幾個(gè)跟蹤站之一的上空進(jìn)行交談，投入的錢當(dāng)然越多越好?！氨M管如此，我們也還是能夠圓滿完成?！蹦握f(shuō)。