張唯誠

人類曾有過漫長的用帆時代，那鼓脹的風帆曾在工業(yè)革命前為人類的發(fā)展和文明的進步發(fā)揮過重要作用，但后來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來，攜帶燃料的引擎難以帶領(lǐng)我們進行長距離的太空旅行，而帆則有希望做到這一點：以太陽光帆為動力的航天器很有可能在太空中實現(xiàn)帆的復活，開辟帆的太空時代。

2019年6月24日，一艘名為“光帆2號”的航天器被SpaceX的重型獵鷹火箭搭載升空。升空一個多小時后，重型獵鷹火箭釋放了一個名為Prox 1的立方體衛(wèi)星，而“光帆二號”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”航天器，使其進入預定軌道，并展開了一面32平方米的太陽帆。至此，實驗獲得圓滿成功。

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

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

光帆與光壓

一直以來，太空任務(wù)主要依賴以化學燃料為動力的太空引擎，它有一個突出的缺點，那就是難以實現(xiàn)長途旅行。因為化學燃料不管攜帶多少，它也不可能用之不竭。為此，人們一直在尋找解決問題的方法，例如使用核能和太陽能等，但相較而言，光帆更加誘人，它很有效率，很清潔，也很安全。

太陽光能為太陽帆提供推力嗎？答案是肯定的。17世紀，法國數(shù)學家皮埃爾·伽森荻在他的一本書中談到了他對于光的看法，他認為光是由大量堅硬的粒子組成的?，F(xiàn)代的光子理論認為，光能為物體提供光壓。光壓之所以存在是因為光是由大量光子組成的，光子也是一種粒子，每個光子都具有能量和動量，能與物質(zhì)發(fā)生相互作用，而光壓就是光子把它的動量傳給物體的結(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，加之在宇宙中運行的航天器處于失重狀態(tài)，又無空氣阻力，所以輕微的推力就可以使它加速。這樣的加速會一直持續(xù)下去，最終達到相當快的速度。

正因為如此，美國行星協(xié)會一直致力于研發(fā)太陽光帆，長期倡導發(fā)展太陽帆技術(shù)。他們的基本觀點是：太陽光帆不攜帶燃料，卻能獲得用之不竭的飛行能源，在長距離的太空旅行中具備明顯優(yōu)勢。因此，在未來的星際旅行中，太陽光帆是前往其他星球最合理的航天器。

伊卡洛斯號

宇宙一號

宇宙一號

美國行星協(xié)會主席路易斯·弗里德曼為實現(xiàn)太陽帆的太空飛行進行了不懈的努力。20世紀70年代，弗里德曼在美國宇航局噴氣推進實驗室工作，當時他就提出發(fā)射一艘以太陽光帆為推進器的航天器去會合將于1986年靠近地球的哈雷彗星。那時設(shè)計的太陽光帆達60萬平方米，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行星協(xié)會，并與俄羅斯航天科學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帆飛船送上太空。2001年7月20日，人類的首個太陽光帆飛船“宇宙一號”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，弗里德曼與他的團隊又重新建造新的光帆，名字仍為“宇宙一號”。2005年，新建成的“宇宙一號”航天器再次發(fā)射，但依然沒有成功。

“宇宙一號”航天器有8個三角形帆面，每個帆面的長度為15米，展開后的總面積接近600平方米，相當于一個半籃球場的面積。這些帆環(huán)繞于飛船主體的周圍。按照計劃，它們將在進入軌道后像花瓣一樣地展開，然后推動“宇宙一號”航天器在地球軌道上飛行一個多月，以驗證這種航天器能否在光子的推動下實現(xiàn)正常飛行。

帆在太空復活

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

2010年5月，日本科學家發(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。在一個月的時間內(nèi)，它僅僅依靠陽光作用于帆上的力量將時速降低了38千米，這是一次前所未有的成功。它預示著：光帆，這種此前只得到理論證明的太空“推進器”終于產(chǎn)生了實際的效用。接下來的“光帆一號”和“光帆二號”實驗也是在吸收了此前的經(jīng)驗和教訓的基礎(chǔ)上進行的進一步探索。

根據(jù)美國行星協(xié)會的計劃，“光帆二號”的后續(xù)實驗還有“光帆三號”。另外，科學家們還計劃在適當?shù)臅r候發(fā)射“宇宙二號”航天器，它更加先進，各項指標都將超過“宇宙一號”。而日本也計劃進一步擴大光帆的面積，并用新一代光帆航天器探測木星。可以看出，現(xiàn)階段的實驗多為一些技術(shù)性的測試，其目的是為未來真正的光帆航天打好基礎(chǔ)、積累經(jīng)驗和收集數(shù)據(jù)。

可以預見，在未來，人類古老而偉大的發(fā)明——帆，將在太空中復活并寫下人類航天史的新篇章。