太阳帆飞船：随“风”奔跑，太阳指方向

纤手香凝

　　这是星际旅行幻想的第一候选技术，它不需要燃料，而且比起“反物质发动机”，“核爆推进器”等技术概念，它最接近人类现在的技术水平……

　　大年过罢头一遭，星际旅行有望了！美国一个叫行星学会（The Planetary Society）的爱好者组织今年1月底宣布，将在5月首次试飞“LightSail”太阳帆飞船，它将在佛罗里达州的卡纳维拉尔角，搭载宇宙神V型火箭升空。如果试飞成功，后续的同类型飞船将试着飞出太阳系。

　　即将迎接挑战的LightSail，分A、B两星。A星先上天实验，主要是要测试姿态控制和通信，还谈不上星际旅行。而2016年飞B星，就要试着走远一点了。两次任务成本为450万美元。

　　试验两步走

　　先在大气层里“试试水”

　　行星学会介绍说：长达四个星期的测试中，LightSail不会飞出大气层，而是试着控制姿态，监测太阳帆，将图像传回地面。

　　发射上去的太阳帆，是一个面包大小的卫星。展开成4块三角形薄膜，拼成一个正方形帆面。如果一切顺利，LightSail将在几天后试着打开，调整姿态，并且传回数据。

　　行星学会说，第二次测试飞行定于2016年。飞船将会安装于乔治亚理工学院研制的Prox-1卫星中，通过SpaceX的猎鹰重型运载火箭发射进入距地面720公里的轨道上，在外太空飞翔。ProX-1卫星将释放出LightSail，还会停在附近监视它。

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　　理论支持

　　太阳光也是有压力的

　　伟大的开普勒400年前就提过：单靠太阳光就能行走太空。而1870年代麦克斯韦的理论，指出了这种幻想的真实性。麦克斯韦预言：光也是有压力的。

　　的确，虽然光子没有质量，但有动量，可以把它的动量传递出去。晒太阳的，就接受了太阳的压迫，只是力度太小感觉不到罢了。麦克斯韦理论提出30年后，科学家果然测出了光压。

　　俄罗斯的火箭先驱齐奥尔科夫斯，和他的同事桑德1921年提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光获得宇宙速度。”桑德还说，太阳帆应该是包在硬质塑料上的超薄金属帆。1950年代开始有大量文章讨论太阳帆。1970年代，由于展开技术和薄膜制造进步，太阳帆开始实验。上世纪九十年代，各国陆续完成了一些展开实验。

　　太阳帆反射光子，反过来光子推动太阳帆。阳光越炽烈压力越大，太阳附近，每平米接受的压力，相当于3枚一元硬币的重力，而到了阳光稀薄的太阳系边缘，每平米的压力就只有一根羽毛的重量了。

　　技术核心

　　又大又轻才走得动

　　展开的太阳帆，面料闪闪发亮，像锡箔。它其实是镀上一层铝的聚脂薄膜材料。

　　聚酯薄膜很寻常，但太阳帆薄得不寻常，只有100个原子厚。链、索、杆都是碳纤维复合材料。本身很轻，充气后才能勃起，硬如钢铁。

　　扬起巨帆方能行大船。太阳帆也是越大越好。在刘宇艳等人撰写的《可展开太阳帆技术概述》中说，如果太阳帆直径300米，可以获得340牛顿的压力。让0.5吨的航天器在200天飞抵火星。如果直径2000米，就能把5吨重的航天器推出太阳系。

　　有一种说法是，太阳帆理论上最高速度是光速的2%，也就是每秒6000公里。不过，现在科学家能指望的是大型太阳帆航行达到60公里的秒速，也就是现在纪录的4至6倍。如果成真，那么太阳帆将大踏步地飞向人马座。

　　必须具备完美反射面

　　太阳帆不光得轻，还得具备完美反射面，要比美人的脸蛋儿还光滑，让光子一触即弹。这可就难了。一个皱巴巴的包裹，展开成为坚固的完美镜面，对制造技术要求很高。

　　展开是一个大麻烦。科学家想出一些好办法，有人提出用折叠后的应力自动展开，不用机械;有人提出充气展开，被广泛采纳。姿态控制也很难，实践中多用一块小太阳帆去调整大帆的朝向。

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　　激光器、透镜增加光强

　　2002年的迪斯尼动画片《星银岛》里，太空中就展开了一张张太阳帆，就如同大航海时代的百舸竞流。

　　在许多科幻小说里出现过的太阳帆，是星际旅行幻想的第一候选技术，因为它不需要燃料。而且比起“反物质发动机”“核爆推进器”等技术概念，它最接近人类现在的技术水平。NASA有过设想，为了飞出太阳系，可以让帆更轻、更大，并在太阳系的适当位置摆上激光器，还有透镜，增加照到太阳帆上的光强。

　　值得一提的是，还有一种概念叫做“太阳风”推进器，它跟太阳帆是两回事。太阳风推进器不停地电离气体，制造出一个电磁球层，就像热气球一样捕获太阳风——太阳抛出的每秒300千米的带电粒子流，从而获得动量。科学家认为这可以让100公斤重的推进器，三个月内秒速超50公里。

　　国际竞赛

　　日本美国目前领先

　　除了LightSail，已经有太阳帆飞行器升空了。这方面日本领先，它的太阳帆飞行器已经飞过了金星。2010年5月，日本成功试飞IKAROS太阳飞船，它通过一面帆用太阳光压力作为动力。目前，这艘飞船已经飞过了金星，继续向太阳飞去。

　　有趣的是，IKAROS飞船用太阳风做动力，却是“逆风飞行”。其实帆船也可以在逆风天“曲线前进”，只要帆和前进方向调整适宜。太阳帆能吹向太阳也是同样的道理。

　　日本当时计划在10年内，再发射一艘太阳帆飞船，综合太阳帆和离子推进，飞到木星去。

　　与IKAROS同期，美国宇航局也发射了“纳米帆-D”卫星，它在近地轨道成功展开一个小帆，但不能用于飞行。NASA还计划了一项名为“Sunjammer”的太阳帆飞行器，原定于2015年发射。但在技术评审后，NASA无限期地延迟了这一项目。

　　美国政府和军队还提出一个太阳帆计划，通过调整倾角，让太阳帆飞船向太阳航行150万公里，以监视太阳磁暴。

　　除了提供动力，太阳帆的一个更现实的用处，是调整飞行器的姿态，好省一点燃料。

　　美国的宇航爱好者组织“行星学会”与俄罗斯合作，曾在2005年发射了“宇宙1号”，它也是LightSail的前身。它搭乘从巴伦支海的核潜艇上射出的火箭升空。本来“宇宙1号”应该在展开成功后降落，但却不知所终，分析认为是火箭分离故障让它没展开。

纤手香凝

　　延伸阅读

　　非盈利组织的雄心壮志

　　根据网络上的介绍：“行星学会是一个受到广泛支持的非政府、非盈利大规模机构，主要是进行与天文学相关的研究。成立于1980年，成立者是布鲁斯·穆雷、路易斯·弗里德曼、卡尔·萨根，并有来自125国的成员。”

　　在“The Planetary Society”的主页上，醒目地写着它们的口号：“你的此间是空间（Your Place is Space）”。之外，它们刊登各种太空科技博客文章、照片、视频。

　　这个社团自称，其宗旨是“鼓励世界公民去推进空间科学和探索”。

　　目前行星学会已经有超过一百万的会员，谁都可以加入，不过在网上注册成为普通会员，要交每年500美元的会费。尽管是民间组织，但行星学会也支持NASA。它们号召成员给美国国会写信，增加NASA的预算，并且制止国会敲除NASA的几个项目。

　　不论LightSail会不会像宇宙一号一样出师未捷，行星学会成功筹款迈向太空已赢得全球赞誉。宇航事业是由兴趣推动；在官办的NASA效率受诟病时，就出现了SpaceX公司，让人耳目一新；而目前“组织”大家登火星的，也是一家荷兰公司。说不定第一个登上火星的人类将会是爱好者呢！高手在民间。

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