翱翔在太空中的“章魚”

侯立順

當“章魚”飛上了天空

想象一下，在地面上發射的探測器沖出地球的磁場瞬間，開始感受到來自太陽的粒子風暴：一波，又一波，越來越強烈。看來已經進入了太陽風肆虐的星際空間，這時探測器開始向四周釋放出50根比頭發絲還細的鋁絲，每根鋁絲長20千米，沒錯，單位就是千米，不過在浩渺宇宙中，這樣的尺寸級別真是微不足道。最關鍵這些鋁絲還會隨著探測器的運行而不停旋轉，在探測器周圍形成一個電場，就如同一張看不見的帆，在太陽風的勁吹下，加速向前。

這一幕未來場景真是不可思議，極細的鋁絲能讓太空探測器獲得如此高的速度，恐怕連儒勒·凡爾納這樣偉大的科幻作家都不敢想象！2013年5月，愛沙尼亞首枚衛星EST-1即實驗性地配備了10米長的鋁絲。人們還計劃在2015年的芬蘭Aaho-1衛星上測試長度為100米的鋁絲。“太陽風力帆”的設想由芬蘭氣象究研究所的佩卡·揚提出，他希能以此解決太空旅行的成本及燃料供給問題，這兩者都困擾了航天工業很多年。

能量取之不盡

無論是采用固態還是液態的推進劑，傳統的噴射推進方式都是通過向外高速噴射燃燒氣體來提供前進的動量。依賴噴射推進的探測器，往往需要攜帶大量的燃料。減去這部分重量，不但可大幅降低發射成本，也將使探測器的制造大為簡化。這樣一來，借助行星引力，利用彈弓效應為探測器加速也變得可有可無。我們再也不必為選擇合適的發射日期而守株待兔。

要知道，太陽每秒鐘噴射出的質子多達100萬噸，其速度更是高達450千米/秒。如此大量的高速粒子流使得太陽成為取之不盡、用之不竭的能量之源。于是科學家就有了給探測器裝上金屬絲的想法：探測器四周，帶著正電荷的金屬絲就仿佛是一個巨大的螺旋槳，高速飛來的質子撞擊其上，動能得到傳遞，這樣探測器就獲得遠離太陽的加速度。這一革命性的設計還解決了傳統太陽帆推進技術所面臨的三大難題。僅幾微米厚傳統的太陽帆就像一張高科技風箏，無法提供足夠的動力，安裝十分復雜，且其脆弱的結構也極易受空間漂浮物的破壞。

“章魚”的三大優勢

科學家佩卡·揚的發明解決了傳統太陽帆的上述三大難題。首先，與依靠陽光（光子）推動的傳統太陽帆相反，驅動電力帆的是質子，由于質子質量比光子大得多，同等條件下電力帆的推力至少是太陽帆的50倍。

其次，電力帆由許多極細的鋁絲構成，在太空中釋放時比一整張太陽帆打開簡易得多。

再者，電力帆張開后形成的電場面積就相當于太陽帆的表面，但太空漂浮顆粒可以從金屬細絲的縫隙中自由穿越，不會對其結構遭成損害。

一切皆有可能

2013年1月，赫爾辛基大學的工程師完成了一項技術壯舉，他們制造出了一根1千米長的絲纜：它由4條金屬絲絞成，共有9萬多個超聲波焊點。研究人員估算，100根左右的絲纜才可為探測器提供1牛頓的推力，這只有傳統噴射推進器推力的百萬分之一。然而，電力帆的任務并不是要讓探測器從地面起飛。只有當探測器離開地球磁場后，這些絲纜才會被展開，接替噴射引擎的工作，為探測器進入太陽系深處提供持續的動力。

雖然太陽風電力帆能使探測器向目標快速前進，但也無法剎車。因此，使用這種推動技術的探測器將沖入遙遠行星大氣內部，而不是環繞它們運行。科學家從2006年起，就開始在這方面展開合作。2014年1月，他們確定了電力帆探測的目標：只需6年，便可抵達遙遠的天王星。采用傳統的化學推進技術需要15年才能抵達那里。

太空旅行的路線圖

那么，這次太空旅行的路線圖是怎樣的呢？按照計劃，探測器將在地球磁場的邊緣展開50條20千米長的線纜構成電力帆。后者將為探測器帶來0.5牛頓的推力，探測器也將逐漸升至100千米/秒的巡航速度。

3年后，探測器將在經過土星時拋棄電力帆，依靠之前的慣性前進。在抵達天王星之前一周，探測器會分解成兩部分，其中一部分進入天王星的大氣層執行探測任務，并將測量數據回傳到10 000千米外的另一部分上面，經過一次中轉傳回地球。這可算的上是非常完美的探險計劃， 但在將其付諸實施之前，計劃還要得到批準。佩卡·揚必須向世人證明，他們的設計能夠經受住空間測試的嚴峻考驗。

雖然這個計劃在理論上無懈可擊，但還是要看探測器在真實條件的表現。太陽風中的電子帶負電，會不可避免地聚集到帶正電的絲纜上，這會大幅降低電力帆系統的能效。另外，如何在太空中打開電力帆，避免其受到損傷，這的確是個技術上的挑戰。科學家現在將一種由太陽能電池板供能的電子槍嵌入到探測器上，用來捕捉并清除附著在絲纜上的電子。當探測器漸漸遠離太陽，太陽能電池板提供的能量將日益衰減，但與此同時，附著在絲纜上的電子數量也會因與太陽距離的增大而減少。

未來的科學應用前景

至于在太空中張開電力帆的技術，我們很快就能知道其優劣：一年前升空的第一臺原型探測器EST-1將在近日展開其10米長的絲纜。科學家計劃在這些絲纜上施加數百伏特的電壓，以測試其機械強度以及對大氣層頂部帶電粒子的反應。2015年，芬蘭還將借助 Aalto-1衛星對100米長的絲纜進行測試。只有驗證電力帆裝置的可行性，不遠的將來才可能會有一隊隊帶著長長觸手的探測器向著太陽系邊緣那些大大小小的天體進發。

除了對探測器進行加速，電力帆是否也能用于使廢舊衛星減速，墜入大氣層燒毀呢？這在理論上是可行的，因為電力帆對帶電粒子很敏感。除了太陽風中的帶電粒子，當然還有地球電離層中的帶電粒子。而600千米以下的人造衛星軌道，正處于電離層中；只要利用電力帆減慢衛星速度，它的高度就會漸漸降低，并最終墜入大氣層燒毀。目前，科學家正在構想一種名為“電動力學絲纜”的裝置：當金屬絲纜劃過地球磁場線的時候，會受到向下的洛倫茲力。2014年2月28日，日本發射了長300米的模型裝置進行這方面的實驗。