太空揚帆不是夢

□小 米

太空揚帆不是夢

□小 米

在太空揚帆遠航，穿梭于星際，這是人類長久以來的夢想。如今，這個夢想可能很快就要變成現(xiàn)實了。

2015年5月20日，美國用“宇宙神5號”火箭發(fā)射了“光帆1號A”太陽帆航天器，它主要用于測試一些基本技術(shù)，但不進行星際旅行。2016年，美國還將發(fā)射“光帆1號 B”太陽帆航天器，它將飛得更遠，在太空揚帆。

這太陽帆到底是什么東西呢？讓我們從頭說起。

凡爾納有好點子

自從1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射第1顆人造衛(wèi)星，標(biāo)志著航天時代到來以后，每個被發(fā)射上天的航天器都會攜帶著化學(xué)燃料、電能裝置或核燃料。然而近些年，一些航天科學(xué)家一直在研究如何利用比風(fēng)更可靠、更自由的太陽光粒子，使其成為探測器的動力。

其實，太陽帆概念很早就產(chǎn)生了。現(xiàn)代意義上的太陽帆概念誕生于19世紀(jì)法國著名科幻小說家凡爾納的小說《從地球到月球》中，它是一種沒有發(fā)動機、用太陽光做動力的航天器。

凡爾納的思想為英國物理學(xué)家麥克斯韋的研究工作奠定

了基礎(chǔ)。19世紀(jì)70年代，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)光是由非常小的粒子——光子構(gòu)成的。由太陽發(fā)出的光子會以約30萬千米/秒的速度大量地向太空中擴散，以這個速度，一個光子在1秒內(nèi)可以繞地球赤道飛7圈。光子對任何物體都會產(chǎn)生作用力，向物體撞擊并被反彈出去。盡管這種碰撞產(chǎn)生的能量非常小，但是太陽發(fā)出的光子的數(shù)量可是很多的，這些光子合在一起所產(chǎn)生的能量就相當(dāng)大了。

傳統(tǒng)的航天器是由自身攜帶的化學(xué)燃料或核燃料所產(chǎn)生的能量推動的，而太陽帆僅僅用巨大的、像鏡子一樣的帆反射光子就能動起來。

開啟太空“永動機”

對于一個太陽帆來說，它的速度大小取決于它被光推動時間的長短。太陽帆在飛行的最初階段速度可慢了，如果以這種速度飛行，要花1年時間才能到達月球。但別著急，太陽帆真正的本領(lǐng)還沒發(fā)揮出來呢。

太陽帆的優(yōu)勢就在于，它不像常規(guī)火箭那樣，推力只能持續(xù)相對短暫的時間。太陽光對太陽帆的推動，可是會一直持續(xù)下去的。在飛行100天后，它的速度能達到約16000千米/小時，1年后能達到約58000千米/小時，只要3年時間，太陽帆的速度就能達到約160萬千米/小時。按照這樣的加速度，太陽帆不出5年就能到達冥王星。今年7月14日飛臨冥王星的“新視野號”探測器，可用了9年多時間才到達目的地。

通過持續(xù)的加速，太陽帆能夠達到很高的速度。但是它離太陽也越來越遠，陽光變得越來越弱，推動力自然就下降了。如果想讓太陽帆飛出太陽系，科學(xué)家準(zhǔn)備用激光推動它，不過，目前的科技水平還無法實現(xiàn)這一目標(biāo)。科學(xué)家認(rèn)為，或許，第一批天外來客就會以這樣的方式光臨地球。

失敗是成功之母

近年來，日本和美國已多次在太空進行太陽帆試驗，其中有成功也有失敗，回望太陽帆的研究之路，可以說是坎坷不斷，十分不易。

2001年7月20日，世界上第一個大型太陽帆——“宇宙1號”進行了亞軌道飛行試驗，但因發(fā)射“宇宙1號”的“波浪號”火箭所攜帶的計算機出現(xiàn)失誤，沒有發(fā)出讓火箭的第三級分離的指令，致使“宇宙1號”的帆無法展開。最后，它與火箭的第三級一起墜落。

2004年8月9日，日本宇宙研究開發(fā)機構(gòu)在鹿兒島發(fā)射了一枚S310小型火箭，火箭在太空中旋轉(zhuǎn)飛行時成功地打開了兩個不同形狀、直徑為10米的無骨架太陽帆，這在世界上尚屬首次。

2005年6月21日，“宇宙1號”再次進行試驗，由“波浪號”火箭從水下潛艇發(fā)射升空，但又因火箭故障而失敗。其實，“宇宙1號”起初的設(shè)計方案真的很棒：它重約100千克，每個帆的長度為15米，由鍍鋁的增強型聚酯薄膜做成，僅5微米厚，大約只相當(dāng)于塑料垃圾袋厚度的1/4。可惜，這些尖端的設(shè)計并沒有得到發(fā)揮作用的機會。

2008年8月3日，美國用“獵鷹1號”火箭發(fā)射“納帆-D1”太陽帆時，同樣也因火箭故障而失敗。“納帆-D1”原設(shè)計重4.5千克，由鋁與塑料制成。太陽帆展開后是由四個三角形組成的正方形，邊長約3米，總面積約為9.3平方米。

太陽帆的研制過程還真是多災(zāi)多難啊，科學(xué)家為了它費盡了心思。

展開以后的日本“伊卡洛斯”太陽帆。

美麗的星際大風(fēng)箏

一次次的失敗雖然讓人懊惱，但也使科學(xué)家獲得了更多的經(jīng)驗。近幾年，終于苦盡甘來——2010年5月21日，日本發(fā)射的“伊卡洛斯”太陽帆獲得了成功。

因為過去進行的太陽帆試驗只在地球周圍軌道進行，所以，順利離開地球遠航的“伊卡洛斯”，是世界上第一個成功使用太陽帆技術(shù)的深空探測器。此次試驗改寫了人類航天的歷史，使深空探測成為可能，也標(biāo)志著“宇宙大航海時代”的真正來臨。

“伊卡洛斯”太陽帆是一個高1米、直徑1.6米的筒狀小型航天器。當(dāng)它進入太空后，卷在一起的超薄膜太陽帆徐徐展開，形成邊長14米、對角線距離為20米的正方形帆面，樣子就像一面大風(fēng)箏。這面大風(fēng)箏上的新科技真不少：它的超薄膜的厚度只有頭發(fā)直徑的1/10，重量僅為一枚硬幣的1/5，可自由調(diào)節(jié)光反射；帆面上還嵌有25微米厚的硅薄膜太陽電池，電池所產(chǎn)生的電能除用于驗證薄膜太陽電池的性能外，還為所攜帶的設(shè)備供電。

重整旗鼓再試驗

雖然經(jīng)歷過“宇宙1號”太陽帆的失敗，但美國對研制太陽帆仍自信滿滿。2015年5月20日，“光帆1號A”太陽帆航天器發(fā)射成功。它只有一個面包那么大，升空后展開成4塊三角形薄膜，拼成一個正方形帆面，面積達到32平方米。

美國計劃在2016年發(fā)射“光帆1號B”。它的運行軌道比“光帆1號A”高，樣子就像一個長條面包，重約5千克。它由2個艙組成，其中一個用于儲存電子和控制設(shè)備，另外一個用于攜帶折疊的太陽帆。美國還將研制比“光帆1號”飛得更高、更遠的“光帆2號”和用于太陽氣候監(jiān)測的“光帆3號”。如果一切順利，太陽帆有望成為人類飛出太陽系的主要工具。

利用太陽能來進行太空航行的太陽帆，代表了人類未來的太空飛行技術(shù)，它將向開發(fā)新型宇宙發(fā)動機的方向邁出重要一步。也許在不久的將來，我們就能真正在太空揚帆遠航了。

“光帆1號”在光壓推動下飛行示意圖。