太空揚(yáng)帆

無(wú)需燃料，也不用火箭作推力，僅憑一張帆，太空飛船就像帆船一樣揚(yáng)帆航行在浩瀚的太空——這聽(tīng)起來(lái)不可思議，但卻并非科幻。

一面巨大的反射鏡

太陽(yáng)帆是什么?簡(jiǎn)言之，太陽(yáng)帆就是由一面巨大的薄膜做成的反射鏡，用來(lái)攔截太陽(yáng)光，利用太陽(yáng)的光壓(也叫“輻射壓”)作為推力，推動(dòng)飛船前進(jìn)。當(dāng)然，它也可利用其他光源如地面發(fā)射的激光等作推力，在后面的情況下，它又被叫做“光帆”或“光子帆”。

那么，什么是光壓?如果你把手伸到陽(yáng)光下，你會(huì)有什么感覺(jué)?你一定會(huì)感覺(jué)到“熱”。其實(shí)，除了熱還有壓力，這就是光壓，只不過(guò)光壓是如此之小，以至于在你整個(gè)的手掌面積上只有百萬(wàn)分之一盎司(1盎司等于28.35克)，因此你是不可能感覺(jué)到的。

或許有人會(huì)問(wèn)：光壓那么小，何以能推動(dòng)飛船前進(jìn)?這是因?yàn)椋浩湟唬谝磺袝r(shí)間內(nèi)都有太陽(yáng)光提供光壓，飛船時(shí)時(shí)有能量增加，涓涓細(xì)流最終匯成大海；其二，飛船幾乎在潔凈的真空中飛行，那里只有很小甚至沒(méi)有阻力阻止飛船前進(jìn)。

1867年，法國(guó)著名科幻作家儒勒·凡爾納在其小說(shuō)《從地球到月球》里提出一個(gè)重要概念：光壓有機(jī)械力，可以推動(dòng)機(jī)械。1873年，著名的行星運(yùn)動(dòng)定律發(fā)現(xiàn)者、德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，使光壓從科學(xué)幻想走進(jìn)科學(xué)殿堂。開(kāi)普勒在觀測(cè)彗星時(shí)發(fā)現(xiàn)，彗尾好像被什么東西吹動(dòng)了。由于當(dāng)時(shí)的歐洲人熱衷于發(fā)展航海事業(yè)，對(duì)風(fēng)吹帆船在海上航行非常熟悉，開(kāi)普勒由此聯(lián)想到，也許正像風(fēng)推動(dòng)海中的帆船，彗尾的移動(dòng)是由太陽(yáng)的“微風(fēng)”造成的。據(jù)此，他設(shè)想：如果能制造出可利用“空間空氣”的船和帆，就可以在空間進(jìn)行滑翔。他進(jìn)一步設(shè)想：推進(jìn)太陽(yáng)帆的最好方法不是用太陽(yáng)風(fēng)，而是用太陽(yáng)光本身的力。這個(gè)“太陽(yáng)光本身的力”就是光壓。

后來(lái)，著名物理學(xué)家麥克斯韋在研究電磁波時(shí)發(fā)現(xiàn)，光也是電磁波，可見(jiàn)光是我們的眼睛看得見(jiàn)的電磁波。1873年，他用實(shí)驗(yàn)證明，光子從反射面上彈起時(shí)，太陽(yáng)光對(duì)反射面施加了一個(gè)“柔和的壓力”。所謂“柔和”，是指壓力很小。

太陽(yáng)光的光壓究竟有多大呢?據(jù)測(cè)量，在太陽(yáng)到地球的距離上，太陽(yáng)光照射在空間1平方米面積上的能量為1.3～1.4千瓦。在物理學(xué)上，經(jīng)常將這個(gè)能量除以光速(每秒30萬(wàn)千米)得到一個(gè)新的物理量——?jiǎng)恿浚儆蓡挝粫r(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化來(lái)計(jì)算太陽(yáng)光的壓力。用這種方法計(jì)算出的太陽(yáng)光的壓力非常小。作用在每平方千米太陽(yáng)帆反射面上的壓力只有9牛頓。9牛頓的推力雖然很小，但在高度真空、清潔的空間，由于沒(méi)有明顯的摩擦力干擾，它仍能發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用，讓飛船在太空揚(yáng)帆遠(yuǎn)航。

關(guān)于光壓的作用，有一件事令我難忘。1960年，美國(guó)宇航局發(fā)射“回聲-1號(hào)”衛(wèi)星。這是一顆直徑為40米的巨大的氣球衛(wèi)星，體積大，重量輕。每當(dāng)它出現(xiàn)在天空時(shí)，用肉眼也能看得很清楚。當(dāng)時(shí)，我剛剛被分配到天文臺(tái)從事人造衛(wèi)星研究工作，接受的第一個(gè)任務(wù)就是“管理”這顆明亮的人造衛(wèi)星。所謂“管理”，其實(shí)是指觀測(cè)。

我的工作是根據(jù)觀測(cè)資料計(jì)算出“回聲-1號(hào)”衛(wèi)星的軌道，再據(jù)此預(yù)報(bào)它未來(lái)的行蹤。按常規(guī)，在地球附近運(yùn)行的人造衛(wèi)星，其軌道受到兩種因素影響：一是地球橢率(表示地球不規(guī)則形狀的量)，二是地球大氣阻力。可是，盡管考慮了這兩種因素，我們?nèi)匀徊荒軠?zhǔn)確預(yù)測(cè)出“回聲-1號(hào)”的軌道。這是怎么一回事呢?后來(lái)，我們根據(jù)“回聲-1號(hào)”衛(wèi)星體積大、重量輕的特點(diǎn)，認(rèn)為它易受光壓的影響，于是就在影響衛(wèi)星軌道的因素中又加進(jìn)一項(xiàng)——光壓。結(jié)果，桀騖不馴的“回聲-1號(hào)”服服帖帖地鉆進(jìn)了我們用數(shù)學(xué)公式為它編織的樊籠。后來(lái)，通過(guò)對(duì)其他類似衛(wèi)星軌道的研究，我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了光壓。

還有一個(gè)例子。1974年，美國(guó)宇航局發(fā)射了一艘水星考察飛船——“水手-10號(hào)”。水星最接近太陽(yáng)，周圍有很強(qiáng)的陽(yáng)光，是進(jìn)行太陽(yáng)帆試驗(yàn)的最好去處。飛船控制者設(shè)想用太陽(yáng)的光壓對(duì)飛船進(jìn)行高度控制，結(jié)果收到良好效果，由此進(jìn)一步證明了太陽(yáng)帆原理。

自由穿移在太陽(yáng)附近

太陽(yáng)帆是用什么材料制成的?又是怎樣發(fā)射和安裝的呢?

材料 用來(lái)制作太陽(yáng)帆的材料要求具有重量輕、反射性能好、耐高溫和抗老化等特性，目前主要有鍍鋁的聚酯薄膜、有孔的薄鋁網(wǎng)、鍍鋁的聚酰亞銨薄膜和鍍鋁的CP-1膜等，最常用的是鍍鋁的聚酰亞銨薄膜。由于耐高溫，太陽(yáng)帆可以在太陽(yáng)附近自由穿梭。

設(shè)計(jì) 與時(shí)大時(shí)小的空氣動(dòng)壓不同，太陽(yáng)的輻射壓很小，而且是固定的。因此，攔截輻射壓的太陽(yáng)帆一定要滿足質(zhì)量很輕、推力很大的要求。為此，在設(shè)計(jì)太陽(yáng)帆時(shí)，需要考慮有最高的推力與質(zhì)量比。

美國(guó)科學(xué)家用30～100納米厚的薄鋁片制造了一張?jiān)囼?yàn)用太陽(yáng)帆，其推力為塑料薄膜帆的10倍以上。但由于材料太脆，不能安全地折疊、發(fā)射和展開(kāi)，只能在空間生產(chǎn)。

在地面上也制造出了最高推力與質(zhì)量比的太陽(yáng)帆，這就是方形帆。這種帆用四根桿子將帆的四角張開(kāi)，中間用一根桿子安裝引線，桿子和引線都安裝在帆的背光面。這種太陽(yáng)帆的優(yōu)點(diǎn)是具有防護(hù)太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)，可以非常近距離地接近太陽(yáng)，從而獲取最大的推力。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)科學(xué)家還研制出旋轉(zhuǎn)薄片帆、旋轉(zhuǎn)環(huán)形帆、環(huán)形帆、“直升飛機(jī)”帆以及電子太陽(yáng)風(fēng)帆等多種太陽(yáng)帆。它們各具優(yōu)點(diǎn)，也各有缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步完善。

發(fā)射 太陽(yáng)帆因?yàn)槭褂玫牟牧虾艽啵菀灼屏眩^對(duì)不能直接從地面發(fā)射。發(fā)射太陽(yáng)帆的方式有三種。一是先將太陽(yáng)帆發(fā)射到太空，然后在太空展開(kāi)，這樣做需要兩艘飛船。二是用衛(wèi)星或其他飛船提供微波波束或激光光束在太空展開(kāi)太陽(yáng)帆，具體做法是：把這些成束的能量發(fā)射到太陽(yáng)帆附近空間，在太陽(yáng)帆穿過(guò)時(shí)為它提供第二能源。三是在發(fā)射時(shí)用微波波束推動(dòng)太陽(yáng)帆，發(fā)射后用可膨脹暴漲系統(tǒng)將太陽(yáng)帆展開(kāi)，然后用激光光束推動(dòng)太陽(yáng)帆飛行。

安置 來(lái)自于太陽(yáng)或其他輻射源的光壓由反射鏡反射。作用在反射鏡上的光子推力如同自然界其他力一樣是矢量，即具有大小和方向兩種屬性。推力的大小和方向，同反射面與太陽(yáng)的相對(duì)位置有關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射到反射面上(稱為正射)時(shí)，太陽(yáng)光的壓力全部用于推擊反射面；當(dāng)太陽(yáng)光不是垂直入射，而是以一個(gè)角度入射到反射面(稱為斜射)時(shí)，根據(jù)光反射定理，光線將被反射出去，反射光與反射面所成角度等于入射光和反射面所成角度，在這種情況下，只有投影到垂直于反射面的那部分太陽(yáng)光的壓力推擊反射面，變成推動(dòng)太陽(yáng)帆前進(jìn)的動(dòng)力。

如此看來(lái)，太陽(yáng)光入射太陽(yáng)帆反射面的最佳方式是正射，但這實(shí)際上是不能實(shí)現(xiàn)的。因此，太陽(yáng)帆通常置于斜射位置上，入射角的大小以使得飛船飛行方向的推力分量得到最佳數(shù)值來(lái)確定。

太陽(yáng)帆的制作和安置是一件非常嚴(yán)密的工作，只有用理想材料制成太陽(yáng)帆，并正確地裝配在飛船上，才能很好地獲取太陽(yáng)光壓，推動(dòng)飛船在浩瀚的太空中前進(jìn)。

出師不利的太陽(yáng)帆試驗(yàn)

2008年8月，美國(guó)宇航局發(fā)射一顆小型-衛(wèi)星——“納米帆1-D”，這是美國(guó)宇航局制造的第一顆太陽(yáng)帆微型衛(wèi)星，其主要任務(wù)是用衛(wèi)星把太陽(yáng)帆帶到空間進(jìn)行展開(kāi)試驗(yàn)。

“納米帆1-D”是一個(gè)很小的衛(wèi)星，重量不足4.1千克。衛(wèi)星上裝有一個(gè)30平方米的方形超薄太陽(yáng)帆。如果一切順利，衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，在很短時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)帆就會(huì)彈射出來(lái)。三天后，飛船將根據(jù)計(jì)算機(jī)指令打開(kāi)艙門，太陽(yáng)帆即可展開(kāi)。這張?zhí)?yáng)帆的材料是比紙還薄的很輕的蛛絲纖維，外面鍍了一層薄鋁膜，以增強(qiáng)推力性能。

但是，太陽(yáng)帆衛(wèi)星在空間成功展開(kāi)并不是一件容易的事。太陽(yáng)帆是用超薄材料制成的，很脆，只能用特殊的技術(shù)折疊和打開(kāi)。所以，雖然早在17世紀(jì)“帆”在空間飛行的概念就已被提了出來(lái)，但卻久久不能投入使用。開(kāi)普勒和俄羅斯空間先驅(qū)弗里德里奇·燦德?tīng)柼岢龅挠锰?yáng)光壓推動(dòng)“帆”在空間飛行的想法，也因材料堅(jiān)固性、厚度、耐久性都不能滿足苛刻的空間環(huán)境條件而不得不擱置起來(lái)。

20世紀(jì)20年代，蘇聯(lián)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾柯夫斯基提出“太陽(yáng)帆”這個(gè)概念。1951年，他又進(jìn)一步了闡述了太陽(yáng)帆的工作原理，從而大大地激發(fā)了其他科學(xué)家的熱情，太陽(yáng)帆成為他們著迷的研究課題。

近年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)和日本在地球上和低地球軌道上多次進(jìn)行太陽(yáng)帆展開(kāi)試驗(yàn)，取得了一些進(jìn)展。2005年，美國(guó)行星協(xié)會(huì)用俄羅斯的“沃爾娜”火箭把“宇宙-1號(hào)”太陽(yáng)帆發(fā)射到空間，但因第一級(jí)運(yùn)載火箭沒(méi)能完全按照預(yù)定時(shí)間點(diǎn)火，致使“宇宙-1號(hào)”展開(kāi)試驗(yàn)失敗。同樣令人遺憾的是，這一次，美國(guó)宇航局的“納米帆1-D”展開(kāi)實(shí)驗(yàn)也告失敗。

迄今為止，科學(xué)家還沒(méi)有在空間成功展開(kāi)過(guò)太陽(yáng)帆，但他們相信讓太陽(yáng)帆飛船在太空航行的美夢(mèng)終將成真，理由是——研發(fā)太陽(yáng)帆的技術(shù)已初步成熟，只待完善。

嶄露頭角的雛形太陽(yáng)帆

一艘艘長(zhǎng)上太陽(yáng)帆“翅膀”的飛船在宇宙空間穿梭來(lái)往，一批批地球游客訪問(wèn)“嫦娥”、“織女”，拜望“南極仙翁”……只要有了太陽(yáng)帆飛船，這些科幻作家筆下的故事就都會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。太陽(yáng)帆飛船絕不是科學(xué)幻想，因?yàn)樵缭凇坝钪?1號(hào)”和“納米帆1-D”之前，一些雛形太陽(yáng)帆就已嶄露頭角。

1986年，在著名的哈雷彗星最接近地球之前，美國(guó)宇航局設(shè)想出一個(gè)絕妙的研究課題：通過(guò)太陽(yáng)帆推動(dòng)，讓空間的一個(gè)探測(cè)器改變軌道，飛向哈雷彗星；在它與哈雷彗星交會(huì)時(shí)，啟動(dòng)飛船上的探測(cè)儀器，對(duì)哈雷彗星進(jìn)行近距離探測(cè)。這個(gè)絕妙的研究課題實(shí)現(xiàn)了，不僅省錢省力，還為以后的哈雷彗星觀測(cè)開(kāi)辟了一條新路。

1993年，俄羅斯在地球附近的軌道上部署了一面直徑為20米的旋轉(zhuǎn)反射鏡——“旗幟一2號(hào)”。別看它面積較大，重量卻很輕，可以像太陽(yáng)帆一樣展開(kāi)。這面旋轉(zhuǎn)反射鏡是為一項(xiàng)“改天換地”工程實(shí)驗(yàn)制作的，該工程旨在把低緯度地區(qū)上空的太陽(yáng)光“移”到俄羅斯北部去，讓那些居住在天氣異常寒冷的俄羅斯北部地區(qū)的居民能在冬天享受到陽(yáng)光的溫暖。這個(gè)用金屬膜制成的反射鏡在空中高高地展開(kāi)，產(chǎn)生了一束明亮的“陽(yáng)光”，從法國(guó)開(kāi)始，穿過(guò)歐洲大地，一直照到俄羅斯，所經(jīng)之處灑滿陽(yáng)光。但是，由于不能進(jìn)行自我控制，“旗幟-2號(hào)”在加拿大上空起火燒毀。

印度分別于1992年和1993年發(fā)射了兩顆通信衛(wèi)星——“印度國(guó)家衛(wèi)星-2A”和“印度同家衛(wèi)星-3A”。為了給衛(wèi)星上的儀器設(shè)備提供能源，每顆衛(wèi)星上都安裝了4塊太陽(yáng)能電池帆板。這樣做解決了能源問(wèn)題，但卻引來(lái)另一個(gè)麻煩：作用在太陽(yáng)能電池帆板上的光壓產(chǎn)生了對(duì)衛(wèi)星穩(wěn)定性有害的力矩。為了消除這個(gè)力矩，科學(xué)家在每顆衛(wèi)星的北面安裝了一個(gè)太陽(yáng)帆，作為衛(wèi)星的附屬品。

在未來(lái)宇宙航行中大顯身手

目前，空間飛行器的運(yùn)載工具是火箭。但是，火箭是依靠燃燒化學(xué)燃料獲取動(dòng)力的，只適合那些把衛(wèi)星或飛船送進(jìn)軌道后不需燃料作軌道機(jī)動(dòng)或只需很少燃料作軌道機(jī)動(dòng)的飛行，而對(duì)于需要用很多燃料作軌道機(jī)動(dòng)和高度控制的長(zhǎng)距離空間飛行，困難就出現(xiàn)了：用火箭作運(yùn)載工具需要燃料，而攜帶許多燃料勢(shì)必增加火箭的質(zhì)量；火箭推力與其質(zhì)量成正比，增加燃料勢(shì)必要求增加火箭的推力。

另一方面，如果飛船要進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行，例如飛到太陽(yáng)系邊緣，就需要很多燃料用于軌道調(diào)制和高度控制，而在茫茫太空無(wú)處可尋能為飛船補(bǔ)充燃料的“加油站”。這樣一來(lái)，裝燃料的容器將大到不可思議。

太陽(yáng)帆飛船的情形就不同了。太陽(yáng)帆飛船的動(dòng)力是光壓，而光壓取之不盡，用之不竭，任何時(shí)候任何地方，只要有陽(yáng)光照耀，就有推動(dòng)飛船前進(jìn)的動(dòng)力存在。因此，太陽(yáng)帆飛船在未來(lái)的宇宙航行中將發(fā)揮特別重要的作用。

在現(xiàn)實(shí)中，還沒(méi)有任何用火箭推動(dòng)的飛船能飛到外太陽(yáng)系。而理論研究表明，用太陽(yáng)帆推動(dòng)的“帆船”卻能在離開(kāi)太陽(yáng)系的時(shí)候，速度增加到接近或大于核火箭系統(tǒng)加速的速度。當(dāng)然，太陽(yáng)帆在開(kāi)始飛行時(shí)速度很慢，只有火箭起飛速度的百萬(wàn)分之一。但隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)帆的長(zhǎng)處顯現(xiàn)出來(lái)：不僅能在近地空間飛行，而且能夠遠(yuǎn)行，在良好的條件下，甚至能在地球與火星之間往返幾次。在這一點(diǎn)上，太陽(yáng)帆飛船與由火箭推進(jìn)的飛船之間的較量猶如龜兔賽跑，前者是烏龜，后者是兔子。在這場(chǎng)比賽中，由火箭推進(jìn)的飛船很快跳出，快速地向著目的地奔跑；而太陽(yáng)帆飛船則以穩(wěn)健的步伐慢慢地開(kāi)始它的旅行。開(kāi)始時(shí)，它的速度只有火箭起飛速度的百萬(wàn)分之一，但由于太陽(yáng)光樂(lè)持續(xù)給它動(dòng)力，它的速度逐漸增加，最后能達(dá)到每秒90千米，比目前航天飛機(jī)的速度(每秒8千米)快十多倍。而由火箭推進(jìn)的飛船則隨著燃料的減少，速度將越來(lái)越小，在燃料用完后，最終不得不停止飛行。

如此看來(lái)，火箭適宜作短途飛行，太陽(yáng)帆則適宜作長(zhǎng)途飛行。比如，在地球和月球之間飛行，用火箭幾天就能完成，用太陽(yáng)帆則要飛幾個(gè)月；但是，“旅行者號(hào)”飛船用了20多年時(shí)間才接近太陽(yáng)系邊緣，而月前研發(fā)的太陽(yáng)帆一旦展開(kāi)成功，只需8年多一點(diǎn)時(shí)間就能趕上它。

把科幻變成現(xiàn)實(shí)

在“阿波羅登月”以后，人類已經(jīng)發(fā)射了幾百艘空間飛行器，然而，迄今為止，我們?nèi)ヌ盏膭?dòng)力仍需依靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和化學(xué)燃料，目前航天飛行的重要交通工具——航天飛機(jī)95％的重量是燃料，這是很不經(jīng)濟(jì)的。太陽(yáng)帆飛船的出現(xiàn)，將為未來(lái)的星際旅行提供一種新的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的動(dòng)力，我們就有可能實(shí)現(xiàn)完全不同的空間飛行。

目前，在地球上空幾百千米的軌道上殘留了許多碎片，它們是小衛(wèi)星飛行結(jié)束或運(yùn)載火箭爆炸后留下的殘骸。一塊殘骸碎片可以在軌道上停留幾十年，危及其他飛船的安全。如何清除這些地球軌道上的“害群之馬”，是當(dāng)今空間科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重要任務(wù)。科學(xué)家希望用類似“納米帆1-D”的太陽(yáng)帆作為“拖船”，把殘留在近地軌道上的空間垃圾“拖走”。太陽(yáng)帆看起來(lái)像風(fēng)箏，作用卻如同在地球稀薄的上層大氣中張開(kāi)的降落傘，如果將展開(kāi)的太陽(yáng)帆拴在衛(wèi)星殘骸上并牢牢地拖住它們，就能使衛(wèi)星殘骸的飛行速度慢慢減小，而這些衛(wèi)星殘骸的軌道是由它們的飛行速度決定的，隨著飛行速度減小，它們的飛行軌道也會(huì)降低，這樣它們會(huì)慢慢接近地球，并在進(jìn)入地球大氣層后同大氣發(fā)生摩擦，最后在大氣中燒毀。

太陽(yáng)帆的應(yīng)用范圍還有很多：可以為小衛(wèi)星實(shí)施一定的機(jī)動(dòng)，由此為小衛(wèi)星在地面上方固定點(diǎn)上盤旋提供穩(wěn)定的推力；可以把太陽(yáng)帆飛船送到地球和太陽(yáng)之間的一組點(diǎn)上，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴進(jìn)行預(yù)警；把太陽(yáng)帆裝在長(zhǎng)期飛行的飛船上，可以持續(xù)不斷地為飛船提供推力，從而實(shí)現(xiàn)星際航行……

終有一日，太陽(yáng)帆飛船將會(huì)把許許多多的科幻變成現(xiàn)實(shí)。