馭光飛行的太陽(yáng)帆探測(cè)器

沈臻懿

提起“太空旅行”，人們顯然不會(huì)陌生。1957年10月4日，蘇聯(lián)在拜科努爾航天中心用P-7洲際導(dǎo)彈改裝的運(yùn)載火箭把世界上第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號(hào)”（Sputnik-1）送往太空以來(lái)，在半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，世界各國(guó)已成功執(zhí)行了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的太空發(fā)射任務(wù)，甚至還包括了若干個(gè)直達(dá)太陽(yáng)系邊緣的深空探測(cè)器。

對(duì)于太陽(yáng)系深處的秘密，人類始終懷揣著探索揭秘的科學(xué)精神。然而，現(xiàn)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)不足、發(fā)射和燃料等費(fèi)用極為昂貴等因素，制約著深空航天探測(cè)器的發(fā)展。當(dāng)前，航天發(fā)射的總質(zhì)量中，有超過(guò)九成被燃料所占。倘若能夠大幅減少存儲(chǔ)燃料的空間以及對(duì)于燃料的依賴，無(wú)疑將加速深空探測(cè)的前行步伐。

科學(xué)家們陸續(xù)提出了不少新型方案，以期人類向太空探索的腳步能走得更快、更遠(yuǎn)。這些技術(shù)方案中，一種名為“用太陽(yáng)光帆來(lái)取代現(xiàn)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料”的設(shè)想尤為引人關(guān)注。根據(jù)這一設(shè)想，太陽(yáng)光帆能夠讓航天器穿梭于太陽(yáng)系內(nèi)部和恒星之間，并擺脫其對(duì)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和巨量燃料的依賴。

在不可再生的化石燃料充斥全球能源領(lǐng)域的今天，有一群科學(xué)家別出心裁，關(guān)注起了“風(fēng)帆時(shí)代”的能源動(dòng)力。茫茫大海中，有風(fēng)浪的存在即可揚(yáng)帆起航。但在空氣極為稀薄的太空，并沒(méi)有我們所熟知的風(fēng)，那又如何揚(yáng)帆呢？

早在400多年之前，當(dāng)人們還在持續(xù)探索廣袤無(wú)邊的海洋時(shí)，德國(guó)天文學(xué)家約翰尼斯·開(kāi)普勒（Johannes Kepler）就已經(jīng)提出了單純依靠太陽(yáng)光能量對(duì)太空進(jìn)行探索的設(shè)想。開(kāi)普勒通過(guò)觀察被太陽(yáng)風(fēng)吹動(dòng)的哈雷彗星尾巴，堅(jiān)信只要用船帆來(lái)捕捉到這種風(fēng)，就能類似風(fēng)在海洋上推動(dòng)船舶一般，推動(dòng)太空飛船前進(jìn)。19世紀(jì)中葉，麥克斯韋方程組證實(shí)了“光子有動(dòng)量”的事實(shí)。同期，著名科幻小說(shuō)家凡爾納在其構(gòu)想中，大膽假設(shè)了用太陽(yáng)帆到月球旅行的場(chǎng)景。不過(guò)，在隨后的一百多年時(shí)間里，太陽(yáng)光帆航天器一直停留在理論設(shè)想層面。隨著日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）等國(guó)際航天機(jī)構(gòu)的介入研發(fā)，太陽(yáng)光帆技術(shù)才逐漸從設(shè)想邁向現(xiàn)實(shí)。

物理學(xué)研究揭示，光子沒(méi)有靜質(zhì)量，但有一定的動(dòng)量，并可將其動(dòng)量傳遞給其他物體。因此，當(dāng)太陽(yáng)光的光子撞向太陽(yáng)帆，航天器便可獲得光子的動(dòng)量。單個(gè)光子的動(dòng)量雖然極小，但只要有足夠多的太陽(yáng)光子，航天器就可在太空中“揚(yáng)帆起航”！鑒于太空中沒(méi)有空氣阻力，單位時(shí)間內(nèi)落在太陽(yáng)帆上的光子數(shù)量越多，航天器獲得的加速度也就越大。由于太陽(yáng)光的存在，可在整個(gè)星際航行中對(duì)航天器進(jìn)行持續(xù)加速，從而達(dá)到化學(xué)能航天器無(wú)法企及的速度。同時(shí)，只要有足夠大的光帆面積，就可以在單位時(shí)間內(nèi)收集到更多的太陽(yáng)光子。從理論上來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)帆的尺寸沒(méi)有上限制約，有科學(xué)家甚至提出了打造60萬(wàn)平方米太陽(yáng)帆的設(shè)想。但如何部署如此巨大的光帆，仍是一項(xiàng)未能攻克的科技難題。

隨著航天器飛行速度的提升，人們探索遙遠(yuǎn)星空的時(shí)間將會(huì)大幅縮短。我們知道，冥王星是太陽(yáng)系中最遙遠(yuǎn)的天體之一，其距地球的最近距離為47.8億公里，距地球最遠(yuǎn)的距離達(dá)75億公里。假設(shè)采用完全由太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)的光帆航天器，人們有望在不到5年的時(shí)間內(nèi)飛抵冥王星。同采用現(xiàn)有技術(shù)的深空探測(cè)器飛掠冥王星的耗時(shí)相比，其足足可以節(jié)省下一半的時(shí)間，這也將大大節(jié)約星際旅行所耗費(fèi)的光陰。盡管光帆的提速能力較為有限，但其可以長(zhǎng)年累月地持續(xù)提速，最后厚積薄發(fā)為巨大的速度變化。

太陽(yáng)光帆技術(shù)探測(cè)器的問(wèn)世，有著其特定的科技發(fā)展背景。隨著當(dāng)前微小衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，研發(fā)成本較低的微小衛(wèi)星成了科學(xué)家們探索太陽(yáng)光帆技術(shù)的首選。除了成本相對(duì)低廉外，微小衛(wèi)星重量輕、體積小的特點(diǎn)，也更有利于發(fā)揮太陽(yáng)光帆的優(yōu)勢(shì)。

作為太空運(yùn)輸?shù)娜聡L試，太陽(yáng)光帆技術(shù)探測(cè)器的最大亮點(diǎn)就在于其完全依賴太陽(yáng)帆作為動(dòng)力系統(tǒng)，并印證了太陽(yáng)帆是立方體衛(wèi)星的一種可行的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。為了更好地利用太陽(yáng)光的能量，太陽(yáng)光帆技術(shù)探測(cè)器上需要攜帶動(dòng)量輪，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆的翻轉(zhuǎn)，控制太陽(yáng)帆和陽(yáng)光之間的夾角。當(dāng)探測(cè)器向陽(yáng)飛行時(shí)，在動(dòng)量輪的控制下，光帆帆面與陽(yáng)光之間呈平行排列，此時(shí)太陽(yáng)光子就無(wú)法落在光帆上;當(dāng)探測(cè)器背陽(yáng)飛行時(shí)，動(dòng)量輪則會(huì)控制光帆帆面與陽(yáng)光方向垂直，此時(shí)就可以充分利用光子來(lái)推動(dòng)探測(cè)器加速，從而抬高探測(cè)器的軌道。

太陽(yáng)光帆技術(shù)探測(cè)器推進(jìn)的重任，全部由太陽(yáng)帆承擔(dān)。除了光帆之外，探測(cè)器上沒(méi)有其他任何動(dòng)力裝置。為了能夠精確掌握探測(cè)器在太陽(yáng)帆推進(jìn)下的變軌情況，需要在探測(cè)器的底部加裝一組鏡面用于激光測(cè)距。地面控制站只需要將激光打到探測(cè)器底部的鏡面，便可對(duì)其作出精確測(cè)距。目前，絕大多數(shù)的人造衛(wèi)星都定位于400公里以內(nèi)的低地球軌道。在這個(gè)高度，仍然會(huì)有極為稀薄的大氣，會(huì)嚴(yán)重干擾光帆的正常運(yùn)作。因此，太陽(yáng)光帆技術(shù)探測(cè)器的軌道目前雖仍限定于近地軌道，但其設(shè)計(jì)軌道往往會(huì)更高，達(dá)到800公里以上便能夠有效避免地球大氣對(duì)于太陽(yáng)帆帶來(lái)的阻礙。

不可否認(rèn)，太陽(yáng)光帆技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但關(guān)于太陽(yáng)光帆航天器的故事才剛剛拉開(kāi)帷幕。完全由太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)的航天器，可能將會(huì)引發(fā)航天器領(lǐng)域的一次重大變革。

現(xiàn)有航天器在獲得自身速度時(shí)，主要來(lái)源于火箭的動(dòng)力，后期則缺乏高度的機(jī)動(dòng)性。反觀太陽(yáng)光帆航天器，從理論上來(lái)說(shuō)，其可以無(wú)限利用光帆進(jìn)行變速，較之現(xiàn)有航天器能實(shí)現(xiàn)更快的速度以及更為復(fù)雜的飛行路線?，F(xiàn)有航天器的主要體積和重量，基本都來(lái)自攜帶的燃料。我們知道，太陽(yáng)光帆航天器的動(dòng)力，全部來(lái)自太陽(yáng)光，自身并不需要攜帶燃料。這就使得太陽(yáng)光帆航天器能夠有更多的空間用于科學(xué)研究和資源運(yùn)輸?shù)确矫?。由于太?yáng)光帆航天器擺脫了燃料的限制，其使用壽命也將得以無(wú)限延長(zhǎng)。只要航天器運(yùn)行正常，就可以一直工作下去。近乎無(wú)窮無(wú)盡的太陽(yáng)光，能夠使太陽(yáng)光帆航天器擁有比核動(dòng)力航天器更長(zhǎng)的理論壽命年限。

日本JAXA曾發(fā)射的金星探測(cè)器“伊卡洛斯”（IKAROS），不僅首次成功驗(yàn)證了太陽(yáng)帆的推進(jìn)力，更是世界上第一艘太空帆船。近期，該機(jī)構(gòu)甚至提出了一項(xiàng)更具有挑戰(zhàn)性的前景目標(biāo)。其計(jì)劃于2026年前后，發(fā)射升空一個(gè)光帆面積將達(dá)到1600平方米的巨型太陽(yáng)帆探測(cè)器OKEANOS，用于前往探測(cè)與木星共用軌道的特洛伊群小行星（Trojan asteroids）。作為下一代太陽(yáng)帆探測(cè)器的OKEANOS，將擁有兩套動(dòng)力。一套是太陽(yáng)帆，另一套則是離子發(fā)動(dòng)機(jī)。兩者的結(jié)合，能夠發(fā)揮出更大的效能優(yōu)勢(shì)。根據(jù)JAXA的研發(fā)，OKEANOS探測(cè)器將攜帶高分辨率質(zhì)譜儀對(duì)木星進(jìn)行探測(cè)。其太陽(yáng)帆則將升級(jí)為太陽(yáng)能帆，采用太陽(yáng)帆和太陽(yáng)能電池板作為混合動(dòng)力，以此產(chǎn)生的電力，可供離子發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

或許在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，人類便可“揚(yáng)帆起航”，在陽(yáng)光下遨游太空！

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com