帆的太空時(shí)代

張唯誠(chéng)

人類曾有過(guò)漫長(zhǎng)的用帆時(shí)代，那鼓脹的風(fēng)帆曾在工業(yè)革命前為人類的發(fā)展和文明的進(jìn)步發(fā)揮過(guò)重要作用，但后來(lái)它們被使用燃料的引擎所取代。然而在太空中，事情很有可能完全顛倒過(guò)來(lái)，攜帶燃料的引擎難以帶領(lǐng)我們進(jìn)行長(zhǎng)距離的太空旅行，而帆則有希望做到這一點(diǎn)：以太陽(yáng)光帆為動(dòng)力的航天器很有可能在太空中實(shí)現(xiàn)帆的復(fù)活，開(kāi)辟帆的太空時(shí)代。

2019年6月24日，一艘名為“光帆2號(hào)”的航天器被SpaceX的重型獵鷹火箭搭載升空。升空一個(gè)多小時(shí)后，重型獵鷹火箭釋放了一個(gè)名為Prox 1的立方體衛(wèi)星，而“光帆二號(hào)”航天器就依附在這顆衛(wèi)星上。一周后，Prox 1衛(wèi)星釋放了“光帆二號(hào)”航天器，使其進(jìn)入預(yù)定軌道，并展開(kāi)了一面32平方米的太陽(yáng)帆。至此，實(shí)驗(yàn)獲得圓滿成功。

“光帆二號(hào)”并不是一次孤立的太空實(shí)驗(yàn)，它是“光帆一號(hào)”的升級(jí)版。2015年5月，“光帆一號(hào)”航天器由宇宙神5型運(yùn)載火箭發(fā)射升空。入軌后，“光帆一號(hào)”航天器展開(kāi)了一個(gè)由聚酯薄膜制成的太陽(yáng)帆，它的厚度僅有4.6微米。然而，兩天后“光帆一號(hào)”航天器出現(xiàn)故障，處于失聯(lián)狀態(tài)。幸運(yùn)的是，8天后它又與地面恢復(fù)了聯(lián)系。最終，這艘光帆太空船在預(yù)定軌道上飛行了25天。

與“光帆一號(hào)”航天器相比，“光帆二號(hào)”航天器做出了一些新的改進(jìn)。例如，它的軌道更高，并且攜帶了動(dòng)量輪。動(dòng)量輪可以讓太陽(yáng)帆翻轉(zhuǎn)，從而控制太陽(yáng)帆與陽(yáng)光之間的夾角，讓帆面與陽(yáng)光垂直，這有利于更好地控制探測(cè)器和提升飛行軌道。

光帆與光壓

一直以來(lái)，太空任務(wù)主要依賴以化學(xué)燃料為動(dòng)力的太空引擎，它有一個(gè)突出的缺點(diǎn)，那就是難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途旅行。因?yàn)榛瘜W(xué)燃料不管攜帶多少，它也不可能用之不竭。為此，人們一直在尋找解決問(wèn)題的方法，例如使用核能和太陽(yáng)能等，但相較而言，光帆更加誘人，它很有效率，很清潔，也很安全。

太陽(yáng)光能為太陽(yáng)帆提供推力嗎？答案是肯定的。17世紀(jì)，法國(guó)數(shù)學(xué)家皮埃爾·伽森荻在他的一本書(shū)中談到了他對(duì)于光的看法，他認(rèn)為光是由大量堅(jiān)硬的粒子組成的?，F(xiàn)代的光子理論認(rèn)為，光能為物體提供光壓。光壓之所以存在是因?yàn)楣馐怯纱罅抗庾咏M成的，光子也是一種粒子，每個(gè)光子都具有能量和動(dòng)量，能與物質(zhì)發(fā)生相互作用，而光壓就是光子把它的動(dòng)量傳給物體的結(jié)果。這表明，光是可以提供推力的，只是這種推力在單位面積上十分有限，所以要獲得足夠的推力，太陽(yáng)光帆必須做得很大，而且表面要十分光滑平整，加之在宇宙中運(yùn)行的航天器處于失重狀態(tài)，又無(wú)空氣阻力，所以輕微的推力就可以使它加速。這樣的加速會(huì)一直持續(xù)下去，最終達(dá)到相當(dāng)快的速度。

正因?yàn)槿绱?，美?guó)行星協(xié)會(huì)一直致力于研發(fā)太陽(yáng)光帆，長(zhǎng)期倡導(dǎo)發(fā)展太陽(yáng)帆技術(shù)。他們的基本觀點(diǎn)是：太陽(yáng)光帆不攜帶燃料，卻能獲得用之不竭的飛行能源，在長(zhǎng)距離的太空旅行中具備明顯優(yōu)勢(shì)。因此，在未來(lái)的星際旅行中，太陽(yáng)光帆是前往其他星球最合理的航天器。

伊卡洛斯號(hào)

宇宙一號(hào)

宇宙一號(hào)

美國(guó)行星協(xié)會(huì)主席路易斯·弗里德曼為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆的太空飛行進(jìn)行了不懈的努力。20世紀(jì)70年代，弗里德曼在美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作，當(dāng)時(shí)他就提出發(fā)射一艘以太陽(yáng)光帆為推進(jìn)器的航天器去會(huì)合將于1986年靠近地球的哈雷彗星。那時(shí)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)光帆達(dá)60萬(wàn)平方米，其面積之大令人咋舌，顯然技術(shù)上存在難度。

此后，弗里德曼與他人一起組建了美國(guó)行星協(xié)會(huì)，并與俄羅斯航天科學(xué)家們建立了合作伙伴關(guān)系。他們共同工作，立志要把人類的第一艘太陽(yáng)帆飛船送上太空。2001年7月20日，人類的首個(gè)太陽(yáng)光帆飛船“宇宙一號(hào)”從一艘俄羅斯核潛艇上發(fā)射升空，然而飛船未能和火箭分離，最后折翼大海。此后，弗里德曼與他的團(tuán)隊(duì)又重新建造新的光帆，名字仍為“宇宙一號(hào)”。2005年，新建成的“宇宙一號(hào)”航天器再次發(fā)射，但依然沒(méi)有成功。

“宇宙一號(hào)”航天器有8個(gè)三角形帆面，每個(gè)帆面的長(zhǎng)度為15米，展開(kāi)后的總面積接近600平方米，相當(dāng)于一個(gè)半籃球場(chǎng)的面積。這些帆環(huán)繞于飛船主體的周圍。按照計(jì)劃，它們將在進(jìn)入軌道后像花瓣一樣地展開(kāi)，然后推動(dòng)“宇宙一號(hào)”航天器在地球軌道上飛行一個(gè)多月，以驗(yàn)證這種航天器能否在光子的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)正常飛行。

帆在太空復(fù)活

雖然“宇宙一號(hào)”航天器發(fā)射失敗，但是科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)光帆的研究并沒(méi)有停止。世界各地的科學(xué)家仍在致力于太陽(yáng)光帆的研究和實(shí)驗(yàn)，包括歐洲空間局、美國(guó)宇航局和日本空間局等。美國(guó)宇航局曾于2008年7月底發(fā)射了一艘名為“納米飛行-D”的太陽(yáng)光帆飛船，這是一艘小型的太陽(yáng)光帆飛船，其主體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為30厘米，整個(gè)飛船的重量不足5千克，帆面為加了鋁外層的聚合材料，厚度相當(dāng)于普通的紙張，這艘太陽(yáng)光帆飛船包括4個(gè)小型太陽(yáng)帆板，整張帆打開(kāi)后大約有10平方米。然而，由于火箭發(fā)射失敗，這次嘗試仍舊沒(méi)有成功。

2010年5月，日本科學(xué)家發(fā)射了一艘名為“伊卡洛斯”的光帆航天器，其光帆呈菱形，直徑為20米。在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，它僅僅依靠陽(yáng)光作用于帆上的力量將時(shí)速降低了38千米，這是一次前所未有的成功。它預(yù)示著：光帆，這種此前只得到理論證明的太空“推進(jìn)器”終于產(chǎn)生了實(shí)際的效用。接下來(lái)的“光帆一號(hào)”和“光帆二號(hào)”實(shí)驗(yàn)也是在吸收了此前的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)一步探索。

根據(jù)美國(guó)行星協(xié)會(huì)的計(jì)劃，“光帆二號(hào)”的后續(xù)實(shí)驗(yàn)還有“光帆三號(hào)”。另外，科學(xué)家們還計(jì)劃在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)射“宇宙二號(hào)”航天器，它更加先進(jìn)，各項(xiàng)指標(biāo)都將超過(guò)“宇宙一號(hào)”。而日本也計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大光帆的面積，并用新一代光帆航天器探測(cè)木星?？梢钥闯?，現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)多為一些技術(shù)性的測(cè)試，其目的是為未來(lái)真正的光帆航天打好基礎(chǔ)、積累經(jīng)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)。

可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)，人類古老而偉大的發(fā)明——帆，將在太空中復(fù)活并寫(xiě)下人類航天史的新篇章。