太陽帆船即將啟航

筱　丁

眾所周知，浮在水面上的帆船，借助風力就能前進。在這種思想啟發(fā)下，早在20世紀20年代，就有人設想，能不能在太空也揚起一張大帆，借助太陽光壓頂在帆上，也能推著飛船在宇宙空間里前進呢?

這是個非常有創(chuàng)意的構想，但是直到20世紀50年代，人們才搞清了太陽帆的飛行原理。可是半個世紀過去了，利用太陽帆作為新的航天工具始終未能實現(xiàn)。這是因為實際飛行還需解決許多非常復雜的技術難題。2002年日本文化科學部宇宙科學研究所重新把‘這項工作提上日程，提出了一種與原來歐美設想截然不同的張帆辦法，并研究于2009年用太陽帆進行金星或木星的星際航行的具體方案。

太陽帆的行進原理

太陽光是一種電磁輻射，組成光線的粒子(即光子)在遇到物體后，能夠對物體產生壓力，這就是光壓。光壓對地球的影響是很微小的，幾乎不被人注意。就地球繞太陽公轉軌道上的太陽光的光壓而言，僅有大約10^-6牛頓/米²(受壓面與太陽光線垂直時)，由此產生的加速度約0.03～1.00毫米/秒²。盡管加速度很小，但是，如果長時間連續(xù)作用的話，它可積累很大的速度增量而不消耗燃料，因而是星際航行中最經濟最理想的交通工具。因為在太陽系內太陽的能量是取之不盡的，這一點正是太陽帆的優(yōu)越性所在。

揚帆方式

原來歐美研究人員設想的帆就像飄在空中的風箏那樣，大多需要在骨架上張帆。日本文化科學部宇宙科學研究所現(xiàn)在探討的帆沒有相應的骨架，而是卷纏在衛(wèi)星主體上，靠衛(wèi)星旋轉產-生的離心力使帆張開。

因為太陽的光壓非常小，所以對帆所用的材料有極高的要求：它既要輕，展開的面積又要大，而且在發(fā)射到太空前又能折疊得很小，到達一定軌道時才自動展開。由于巨大的帆進入太空前需要收藏在火箭內，所以發(fā)射的時候，帆是卷纏在衛(wèi)星主體外，整體直徑1米左右，非常緊湊。發(fā)射到宇宙空間后，通過衛(wèi)星旋轉產生的離心力，使折疊的帆一點點地展開，像打開傘那樣展開帆。

作為帆的材料，目前被視為最好的一種是被稱為“聚酰亞胺”高分子材料制成的薄膜，它經真空鍍鋁后即可作為帆使用。科學實驗用的高空氣球使用的聚乙烯材料，因其不耐熱，也不耐紫外線和宇宙射線照射等，所以不適合用作太陽帆。另外，聚酰亞胺具有抗熱和抗宇宙射線的特性，故這種材料也被用來涂敷在人造衛(wèi)星表面，用以絕熱。

著眼星際航行

太陽帆的飛行任務可分兩類：一類是近地飛行任務，另一類為星際飛行。在這兩類飛行任務中，太陽帆的控制策略是不同的。在近地飛行時，太陽帆每繞軌道飛行一圈，其帆面就轉動半圈，顯然，在近地飛行時，要求太陽帆能在短時間里做大的角度改變。但是，如果是用于星際空間的航行又另當別論了。如太陽帆需飛向外行星(如火星)時，需調整帆面姿態(tài)產生加速度，如太陽帆需飛向內行星(如金星)時，則需調整姿態(tài)產生負的加速度。不管是哪一種情形，都沒必要在短時間內大幅度改變帆的角度，所以采用離心力張帆的方式更合適。

至此，讀者或許會擔心宇宙空間中存在許多小塵埃，如果這些塵埃撞在帆上，會否在帆上砸出許多小窟窿，使星際航行歸于失敗。事實上，按過去的實驗數(shù)據(jù)推算，如果在6年的星際航行中，太陽帆將會被星際塵埃擊出大約200萬個小窟窿，其面積約占整個帆的1.5％。專家認為，在這種狀態(tài)下不會影響飛行。另外，聚酰亞胺薄膜本身韌性很好，再加上真空鍍鋁，實驗表明，即使被稍大的物體撞擊，也不會開裂。

首次實驗取得成功

2008年8月9日，日本宇宙科學研究所為了試驗太陽帆能否在宇宙空間順利地張帆，在鹿兒島縣內之浦火箭發(fā)射場發(fā)射了s-310火箭(全長約7.1米，直徑31厘米)。火箭的前端搭載了兩種類型的太陽帆。這次試驗的帆沒有正式航行用帆那么大，僅是其十分之一，即展開直徑僅10米，厚度僅7.5微米的聚酰亞胺薄膜，分別卷成直徑約100毫米的圓柱。在這次實驗中做了“三葉草型”和“扇面型”兩種展開方式的試驗。發(fā)射100秒后，到高度122千米，首先展開三葉草型的帆。發(fā)射220秒后甩掉三葉草型，接著10秒后在高度169千米再次展開扇面型。盡管太陽帆在美國也進行了研究，但是在宇宙空間成功地把帆展開，這在世界上還是第一次。

總之，歷經長久夢想而未能實現(xiàn)的太陽帆終于走出實驗室，實地經受宇宙空間惡劣環(huán)境的考驗，并將肩負起科學探索的使命，航行于宇宙海洋中。

[責任編輯]蒲暉