“光帆”折翅

盡管“宇宙一號”發(fā)射失敗了，但人類探索更遠(yuǎn)宇宙的腳步不會因此而停下。

人類歷史上第一艘依靠太陽光驅(qū)動的飛船未能一帆“光”順。

北京時(shí)間6月22日凌晨4時(shí)46分，太陽帆飛船“宇宙一號”由俄羅斯導(dǎo)彈核潛艇“鮑里索格列布斯克”號在巴倫支海準(zhǔn)時(shí)發(fā)射。但僅僅83秒后，助推火箭的引擎停止了工作，飛船沒有進(jìn)入預(yù)定軌道。

盡管飛船的主人、美國行星學(xué)會迄今仍沒有完全放棄希望——他們聲稱，地面測控人員在與飛船失去聯(lián)系9個小時(shí)后曾收到了微弱的遙測信號——但負(fù)責(zé)發(fā)射任務(wù)的俄羅斯專家卻認(rèn)定，“宇宙一號”更大的可能是已經(jīng)墜毀在北冰洋中。目前，搜尋飛船殘骸等后期調(diào)查工作已經(jīng)展開。

未經(jīng)驗(yàn)證的大膽設(shè)想

1984年，美國物理學(xué)家羅伯特·福沃德(Robert Forward)提出一個構(gòu)想：既然帆船在大海上面只要依靠風(fēng)力就可以揚(yáng)帆航行，那么，為什么不利用強(qiáng)有力的激光推動飛船翱翔太空呢？按照他的設(shè)想，當(dāng)激光的光子到達(dá)飛船的時(shí)候，光子帶來的沖量推動飛船向前運(yùn)動，飛船就可以獲得速度，并且穩(wěn)定加速不斷遠(yuǎn)行，直至沖出太陽系。這后來被一部分科學(xué)家認(rèn)為是到達(dá)其他行星系最好的一個方法。

按照這個設(shè)想，美國的工程師們建造了一艘簡易的太空船，這艘太空船進(jìn)入太空后將利用太陽光作為推動力(即激光束起到的作用)不斷加速——它就是“宇宙一號”太陽帆飛船。

“宇宙一號”是由美國行星學(xué)會、俄羅斯科學(xué)院和俄羅斯拉沃奇金學(xué)會等機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的太陽帆試驗(yàn)飛船，船體呈碟狀，重約110公斤。按照計(jì)劃，進(jìn)入太空后，“宇宙一號”會打開8面三角形的太陽帆，整個帆面呈風(fēng)車形狀。太陽帆的厚度和保鮮膜差不多，總面積達(dá)到600平方米，并且可以調(diào)整方向，以更好地吸收太陽光能。

其實(shí)，與傳統(tǒng)飛船相比，太陽帆飛船真正需要解決的問題就是制作帆的材料。這種材料應(yīng)該具有相當(dāng)大的靈活性和強(qiáng)度，并且質(zhì)量要小。現(xiàn)在用來制作“宇宙一號”的材料是一種鍍鋁的聚酯薄膜，這種材料在陽光的輻射下不能持續(xù)太久的時(shí)間，所以預(yù)計(jì)“宇宙一號”最多只能在太空中堅(jiān)持幾個月，其后太陽帆就會分解。以后如果要進(jìn)行真正應(yīng)用中長時(shí)間的飛行任務(wù)，就必須另選一種合適的材料。

太陽帆飛船曾經(jīng)出現(xiàn)在行星學(xué)會創(chuàng)始人、著名科普作家卡爾·薩根的科幻小說中。“宇宙一號”項(xiàng)目共耗資400萬美元，其資金主要就是由薩根遺孀安·德魯揚(yáng)創(chuàng)辦的娛樂公司“宇宙工作室”贊助的。

節(jié)約成本埋下隱患

這次飛船發(fā)射失敗，主要的問題出在發(fā)射載體上，而不是飛船本身。

“‘宇宙一號’的確發(fā)射出去了。有證據(jù)顯示，飛船有可能已經(jīng)穿越了一些地點(diǎn)，比如俄羅斯和太平洋的上空。但是自那以后我們再也沒有收到飛船的任何信號。我們原以為飛船能在地面上空800公里的軌道上飛行。而現(xiàn)在，即使飛船進(jìn)入了軌道，也是在比預(yù)定高度低得多的軌道里。有人說，也許飛船已經(jīng)落回了地球。但是，仍然有微小的希望存在，我們還不會放棄。”參與“宇宙一號”項(xiàng)目的科學(xué)家之一，美國行星學(xué)會的艾米莉·臘克達(dá)娃拉告訴本刊記者。

對于這次發(fā)射失敗，中國國家天文臺已退休的研究員李競并不感到意外。他認(rèn)為，一方面，這個項(xiàng)目從技術(shù)上來看太不成熟了；另一方面，該項(xiàng)目資金嚴(yán)重不足，使主辦者節(jié)約成本到了給飛船帶來危險(xiǎn)的地步。

艾米莉也不否認(rèn)這一點(diǎn)。“為了節(jié)約成本，我們不能使用昂貴的發(fā)射載體，這跟發(fā)射的失敗的確有關(guān)聯(lián)。我們也很希望有更多的錢來購買一些高價(jià)的發(fā)射載體，但是事實(shí)上我們只是一個小組織，我們無力在發(fā)射任務(wù)上投入更多的資金。”艾米莉說，實(shí)際上，現(xiàn)在發(fā)射載體的造價(jià)已經(jīng)越來越便宜，也許在不久的將來，他們就可以使用更好的載體來執(zhí)行相似的任務(wù)。

“我們已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)”

在飛船發(fā)射之前，安·德魯揚(yáng)曾經(jīng)說：“這次任務(wù)即便不成功，我們也會從中學(xué)到東西。通往外星球的道路很坎坷。”

太陽帆飛船受到的推動力有多大？艾米莉說，他們有理論計(jì)算，但也并不十分自信。“對于太陽帆飛船的技術(shù)問題和動力學(xué)問題還有很多不是很明了。我們就像世界上其他人一樣感到好奇，并且希望探明事情的究竟。依據(jù)計(jì)算，它的加速度是0.05毫米/秒2，這個加速度非常小，但是它能始終保持，因?yàn)殛柟庖恢痹谡丈洹r(shí)間長了，這個加速度就能產(chǎn)生一個顯著的速度變化。我們的任務(wù)只是證實(shí)這個想法，并沒打算要到達(dá)某個目的地，因?yàn)槿绻瓿烧嬲奶章眯械脑挘覀儽仨毎惭b比這大得多的太陽帆。”

行星學(xué)會聲稱，他們做這件事情的真正目的是為了推動其他宇航組織在這一領(lǐng)域進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)、做更多的工作。“確切地說，這一技術(shù)不是成熟的——之前從未有人嘗試過。但我們相信這是一項(xiàng)很有前景卻沒有受到人們足夠關(guān)注的科技。”艾米莉說，“實(shí)際上，現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了這次計(jì)劃的一個成果不少人已經(jīng)開始關(guān)注太陽帆技術(shù)，包括像美國宇航局和歐洲宇航局這樣的組織。因此，我們也許不需要再繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)任務(wù)，我們已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)。”

但李競卻對這次發(fā)射失敗依然感到遺憾，“既然毛病出在火箭上，那就更可惜，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)沒有達(dá)到對飛船本身的驗(yàn)證，沒有給下次實(shí)驗(yàn)帶來任何有用的參考信息。”

李競說，利用太陽輻射的推動力加速飛船的理論，在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但一直沒有在太空中得到證實(shí)。推測起來，太空實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該不會跟理論有太大出入。但現(xiàn)在專家們還存在一個疑問：即使這次火箭沒有出問題，是否就真的能驗(yàn)證這一理論？

“距離地球800公里的高度，有可能還不夠。因?yàn)檫@個高度還沒有超出地球大氣的散逸層，空氣阻力還不能完全消除。”李競說，在這個高度，600平方米的帆板受到的空氣阻力當(dāng)然很小，但由于太陽光產(chǎn)生的推動力只有大約0.5克力，空氣阻力產(chǎn)生的影響會不會把太陽光的推動力淹沒掉，需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

更遠(yuǎn)的設(shè)想

李競認(rèn)為，如果太陽帆飛船能夠成功，至少在太陽系里面的行星際旅行，就從非常困難變成了不那么困難，或者從幾乎不可能變成了有可能。但對于星際旅行(恒星與恒星之間的旅行)，這項(xiàng)新技術(shù)恐怕也很難有所作為：不接近光速，要逾越恒星之間過于廣袤的距離，簡直無法想象。

而使用太陽能作為推動力的缺點(diǎn)在于，當(dāng)飛行距離增加，飛行器遠(yuǎn)離太陽的時(shí)候，太陽能的作用削弱，加速度將迅速降低，飛船只能在太陽系內(nèi)加速運(yùn)轉(zhuǎn)。

但科學(xué)家更遠(yuǎn)的設(shè)想是：利用激光來完成加速任務(wù)。激光束一向以穩(wěn)定、集中(不會隨著距離的增加而散逸)的優(yōu)點(diǎn)而著稱。這樣，理想情況下，激光束可以毫不費(fèi)力地到達(dá)“南門二”(最近的恒星，距離我們大約4.2光年)甚至更遠(yuǎn)。

美國另一個科學(xué)家羅伯特·福利斯比(Robert Frisbee)在福沃德的理論基礎(chǔ)上，他勾勒了一個飛向“南門二”的計(jì)劃。他設(shè)想一個飛行器，寬600英里，動力來自一個跨度在600英里的活動反射鏡，它建立在環(huán)地軌道或者月球表面，發(fā)射出激光作為推動飛船前進(jìn)的動力。連續(xù)幾年發(fā)射的激光將使飛船的速度不斷增加，直到它的巡航速度；到達(dá)目的地之前，再用激光照射降低飛行器的速度。

但是，按照福利斯比的設(shè)想，如果要使這樣的飛船能夠到達(dá)“南門二”，那么至少需要1.7萬太瓦(1太瓦=1萬億瓦特)的功率，這相當(dāng)于目前地球上的所有發(fā)電機(jī)功率之和的1200倍！

如何搜集到如此巨大的能量呢？福利斯比認(rèn)為，可以設(shè)計(jì)一個裝置，將太陽能集中轉(zhuǎn)化為發(fā)射激光的動力——目前，已經(jīng)有物理學(xué)家證明能夠生產(chǎn)出一種裝置，將普通光的強(qiáng)度增強(qiáng)8.4萬倍。

如果人類完全掌握了這項(xiàng)技術(shù)，我們就不用再擔(dān)心飛船的燃料是否足夠達(dá)到目的地。經(jīng)過計(jì)算，一個直徑300公里的激光帆飛船在15年內(nèi)能夠到達(dá)“南門二”，一個直徑1000公里的飛船能夠和“巨蝎座55”在100年內(nèi)相約太空——而如果乘坐現(xiàn)在的航天飛機(jī)，抵達(dá)任何一個太陽之外的恒星都需要幾十萬年。