太陽帆飛船：讓我們飛得更遠

●白　木　周　潔

2000年7月20日，俄羅斯潛艇用一枚經過改裝的“波浪”型導彈，在巴倫支海成功地進行了太陽帆飛船的發射實驗。

名為“宇宙1”號的太陽帆飛船裝在導彈彈頭中，其中的太陽帆在發射過程中處于折疊狀態。當導彈彈頭在液體燃料發動機的推動下進入遠地點約1200千米的太空軌道后，飛船與彈頭分離，并緩緩地張開了兩個花瓣狀、總直徑約26米的太陽帆。這艘太陽帆飛船在近地軌道飛行約25分鐘后，按預定計劃返回了地球，并準確降落至俄勘察加半島。

本次發射升空的“宇宙1”號為歷史上第一艘實驗型太陽帆飛船，它是由俄羅斯馬克耶夫科學生產企業和巴巴金研究中心共同研制成功的。這次實驗的目的是測試形如花瓣的兩個太陽帆能否在太空中順利打開并產生動力。安裝在太陽帆飛船表面的攝像裝置，對實驗的全過程進行了拍攝。在實驗結束后，地面控制人員啟動了飛船上的充氣制動裝置，使飛船表面被特制的氣囊所覆蓋。在氣囊的制動下，飛船在稠密的大氣中的返回速度可降至每秒約16米。氣囊中的特制氣體，可防止與大氣摩擦時所產生的熱量損壞飛船上的儀器。

據悉，俄羅斯、美國、德國和法國的專家在距離發射水域約56千米的考察船上，仔細觀察了太陽帆飛船的此次出航。專家們認為，測試進行得非常成功。

太陽帆飛船的提出

30年前，當三名宇航員乘坐“阿波羅11”號宇宙飛船實現具有歷史意義的登月之旅時，約20米高的運載火箭共攜帶了2500噸燃料。為了擺脫龐大的運載工具，長期以來，人們一直設想開發一種以陽光為能源的光帆航天器。

20世紀初，幾位科學幻想小說家曾寫過有關用反射鏡面推動宇宙飛船的故事。但直到1924年，前蘇聯航天事業的先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和其同事弗里德里希·燦德爾才明確提出“用照到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽帆——一種包在硬質塑料上的超薄金屬帆——的設想，成為今天建造太陽帆的基礎。

1976年，美國噴氣推進實驗室的科學家曾提出過大規模建造太陽帆的計劃。他們建議制造一艘太陽帆飛船，與1986年返回太陽系的哈雷彗星相會。但美國航空航天局認為這一方案面臨的風險太大，從而中止了太陽帆的研究。近年來，隨著微電子和材料科學的飛速發展，一直探索更快、更好、更便宜的空間飛行方式的美國宇航部門,重新將目光投向了太陽帆計劃。美國航空航天局的科學家們稱，第一艘飛往太陽系邊緣的光帆航天器可在10年內發射。

目前，美國國家海洋與大氣管理局和美國空軍已提出建造用于監視太陽表面活動的太陽帆計劃。它將用傳統的火箭將太陽帆飛船送到距地球150萬千米的地方，在此，太陽的引力與地球的引力相互平衡。到達此處之后，航天器展開一個直徑70米的較小的帆，通過精心選擇傾角，展開的帆即可提供所需的能量，使飛船向太陽方向繼續飛行150萬千米，并與地球保持同步。從這一有利地點，它就能監視干擾衛星和破壞地面電網的太陽磁暴，在磁暴襲擊地球前兩小時發出警報。這一時間幾乎比目前的預警時間長了1倍。

除此之外，太陽帆計劃還包括發射在高緯度繞地球飛行的商業衛星和一項飛向水星的計劃。承擔這種任務的帆要求面積更大，密度更低。專家仍認為,利用一個邊長100米、密度為每平米10克的帆提供動力即可到達水星，而且速度比用火箭推進更快。

太陽帆飛船的原理

太陽帆飛船是一種利用太陽光的壓力進行太空飛行的航天器。由于太陽光子具有源源不斷、方向固定等特點，在沒有空氣阻力的宇宙中，航天器無須攜帶任何燃料，太陽光的光子會不停地撞擊太陽帆，使太陽帆所獲得的動量不斷增加，從而形成加速度。使用太陽帆的航天器可以借助這種動力，達到很高的飛行速度。據計算，直徑為300米的太陽帆，可使重約0．5噸的航天器在200多天內飛抵火星。如太陽帆的直徑可增加到2000米，則太陽帆就能把重約5噸的航天器送出太陽系。

人們知道，光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給撞擊物體以相應的作用力。單個光子所產生的推力極其微小。在地球到太陽的距離上，光在1平米帆面上產生的推力只有9×10－6牛，還不到一只螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。

太陽帆是一個展開后僅有100個原子厚的巨型超薄航帆，太陽帆飛船飛行起來很像大洋中的帆船，改變帆的傾角即可調整前進方向。而且只要幾何形狀和傾角適當，它可以飛向包括光源在內的任何方向。借助陽光的推力，這種航天器可以飛向太陽系的邊緣并進入星際空間。如果輔以從地球軌道射出的強力激光束，它可以飛得更遠，直至到達離太陽系最近的恒星。

飛向人馬座成為可能

如果前往離我們最近的人馬座γ星的恒星際宇宙飛行能夠成功，我們就能得到解開宇宙年齡等宇宙之謎的大量線索。但是航天飛機這樣的化學燃料火箭加速度為17g，也就是只有地球重力17倍的加速能力。使用航天飛機要用10年時間到達43光年之遙的人馬座γ星，必須持續加速兩個月以上，這是不可能的。為了持續加速兩個月，航天飛機就得裝載更多的燃料，這使它的重量之大，以至于根本離不開發射臺。

不僅如此，為了用10年時間到達半人馬座γ星，必須維持05倍以上的光速。然而隨著接近光速，等在前面的一個難關便出現了，這就是“愛因斯坦狹義相對論”指出的速度越快質量越大的規律。當速度達到光速的075倍左右時，其質量將變成15倍。由于質量增大，推進力即使加大也無法加速，所以航天飛機必須造得盡可能輕些。

用激光束鼓起宇宙飛船的光帆由此獲得推進力。由于激光束幾乎不會發散，激光束可以從太陽系中射出，所以能夠實行必要的操縱和管理，設備的更新也有了可能。更重要的是，宇宙飛船再沒有搭載燃料的必要了，宇宙飛船便能造得更輕。在加速到亞光速的情況下，宇宙飛船的質量不大，是一個非常大的優勢。

為了把宇宙飛船送至半人馬座γ星，得用激光束加速約1年,使宇宙飛船的速度達到光速的1／3左右，此后切斷激光束，宇宙飛船轉入慣性飛行。在接近半人馬座γ星時，光帆的外圈逐次斷開，形成同心圓狀的三部分，把光帆的最外側移至宇宙飛船的前部，同時再次發射強大的激光束，于是宇宙飛船后部的光帆便被罩在強光之中，宇宙飛船便獲得了制動力。當然，來自宇宙飛船身后的激光束仍照射在光帆上構成推進力。但是宇宙飛船外側的光帆面積是內側兩個光帆面積的9倍,制動力比推進力起到更大的作用。對半人馬座γ星的探測結束，準備踏上歸途，處在中間的環狀光帆被取下，此時光帆仍在反射激光束，并使宇宙飛船獲得與來路相反的推進力得以飛返地球。顧國建圖