“光帆”2揚帆啟航

文/江山

就像古代的水手一樣，星際“冒險家”有朝一日也許會在星際揚“帆”遠航，但是星際“水手”利用的不是海上的風而是太陽光。太陽帆利用太陽的光壓在太空航行,為人類提供一種新的技術方案。

“光帆”2任務成功

2019年7月31日，美國行星學會宣布其6月25日由獵鷹重型火箭從肯尼迪航天中心發射的“光帆”2小衛星已成功驗證了利用太陽帆來改變軌道的能力。這顆三體立方星在其32平方米的聚酯薄膜帆面展開后的4天里利用帆面上太陽光壓產生的推力把軌道遠地點升高了1.7公里。

“光帆”2項目耗資700萬美元，全部來自捐贈，是美國行星學會精心打造的一個項目。衛星由幾個合作方共同建造，包括星球探索公司、加州州立理工大學圣路易斯-奧比斯波分校和佐治亞理工學院等。“光帆”2由厚度只有4.5微米的聚酯薄膜制成。發射時，只有一條面包大小的“光帆”2被裝在更大些的“鄰近”1衛星內，7月2日由后者投放。

▲“光帆”2科學測試

控制人員在7月23日帆面展開前對星上各系統進行了測試。之后“光帆”2立方星上的電機開始展開總面積達32平方米的4個三角形帆面。在帆面展開過程中還拍攝了照片。接下來的一個月的時間里“光帆”2繼續利用帆面抬升衛星軌道遠地點高度。同時，衛星近地點將會在大氣阻力作用下下降。控制人員對衛星進行微調，提高帆面效率。一個月后，大氣阻力的綜合作用抵消了太陽帆產生的推力，這項任務的升軌任務部分結束。在升軌階段結束后會開展一些其他試驗，比如改變帆面朝向，測定阻力的差異等。“光帆”2會在約一年內離軌。

什么是太陽帆

太陽帆的概念可以追溯到近一個世紀之前。目前太陽帆由涂有金屬反射層的聚脂薄膜或聚酰亞胺等輕型材料、支撐結構、展開組件等制成。那么太陽帆是靠太陽風航行嗎？答案是否定的。太陽帆飛行靠的是光子，當光子撞擊到平滑的表面時，可以產生相應的作用力。由于太陽光的壓力太小，我們感受不到。在地球上太陽光在1平方公里面積的表面產生的推力只有9牛頓。由于這種推力很小，不能推動航天器從地面起飛，但在沒有阻力的太空可以為有足夠大帆面面積的太陽帆提供加速度推動航天器運動。

當太陽帆正對太陽時，光子會推動太陽帆遠離太陽。太陽帆并不只是一味地“勇往直前”，而是可以像帆船一樣，通過改變方向自由航行，一種方式是通過改變與太陽之間的角度，其他的方法還有改變重心等。太陽帆的速度取決于帆本身的大小和重量，面積大的太陽帆獲取的太陽光多，獲得的動量大；對大小相同的太陽帆來說，質量越小，加速度越快。加速度還與光源的距離和強度密切相關，太陽帆離太陽越遠，太陽光越弱，加速度越小。建造大型太陽帆還是需要投入相當精力和金錢的。通過一系列試驗、測試，太陽帆技術被突破并被技術人員掌握后，可能成為一種相對便宜的推進方式。太陽光取之不盡用之不竭，太陽帆推動的航天器可以在不增加攜帶燃料的情況下長距離飛行，所需的運載火箭也可以更小、更便宜。

▲展開測試

▲“光帆”發射前技術人員正在測試

理論上，由于太陽帆會提供持續加速度，與火箭推動的航天器相比，太陽帆推動的航天器可以更快到達遙遠的行星和恒星。然而目前太陽帆星際航行技術還處于研制階段。科學家們認為近期太陽帆可用于太陽探測，多個天體飛越以及對地球及其他天體定點觀測等。太陽帆還可為受很多新興航天國家、小公司、大學等青睞的小型、低成本立方星提供動力，使立方星在不攜帶燃料的情況下在太空實現機動。另外，人類進入太空時代以來，太空垃圾成為人類面臨的一大難題。如果不采取離軌措施，有的廢棄航天器將長期在太空“游蕩”，占據寶貴的太空資源并可能碰撞現役航天器，影響其功能甚至使其失效；如果與載人航天器相撞還可能危及航天員的性命。中國科學家正在嘗試在700公里以下的近地軌道小衛星上裝配薄膜離軌帆，在衛星壽命末期在軌展開，以增大氣動阻尼方式實現其被動離軌。

▲“光帆”2展開

▲“光帆”1在廠房

▲美國宇航局的近地小行星偵察兵

美日的陽光沖浪

美國行星學會一直熱衷于太陽帆技術，40年前就曾呼吁美國宇航局采用大型太陽帆對哈雷彗星開展探測。“光帆”2任務的成功是行星學會多年努力的結果。該機構曾研制了名為“宇宙”1的一顆衛星來試驗太陽帆技術，但該星2005年由俄羅斯“波浪”火箭發射時因發射失敗而未能入軌。2015年發射的“光帆”1開展了帆面展開試驗，但因所在軌道過低而無法讓帆面產生足以克服大氣阻力的推力。

2004年8月，日本宇宙科學研究所（現為日本宇宙航空研究開發機構的一部分）利用探空火箭部署了兩個原型太陽帆，對展開機構等進行了測試，但未涉及推進部分。2010年5月，日本宇宙航空研究開發機構發射的“伊卡洛斯”探測器首次成功驗證了太陽帆推進。在展開的帆面，驗證薄膜帆面能夠通過采集太陽光光子的動量來推動飛行器前行。“伊卡洛斯”帆面厚度為7.5微米。該項目曾在2017年獲得國際宇航科學院的優秀團隊獎，表彰其在利用新技術開展太空探索方面的貢獻。美國宇航局也曾在2010年發射了一個小型太陽帆立方星，名為“納帆”。

到目前為止，世界上最大的太陽帆是日本宇宙航空研究開發機構的“伊卡洛斯”，其面積為196平方米。但面積大小并不意味著一切。“光帆”2的面積為32平方米，其加速度卻差不多是“伊卡洛斯”的10倍。這是因為“光帆”2比“伊卡洛斯”更小、更輕，太陽帆需驅動的質量小。

行星學會沒有開展“光帆”3任務的計劃，但準備舉辦一項國際賽事，征集新項目思路，支持太陽系探測等方面的工作。美國其他一些機構已有太陽帆使用方面的計劃。美國宇航局的“近地小行星偵察兵”是一項六體立方星任務，將會在“航天發射系統”火箭首飛時搭載發射。該衛星將利用太陽帆來飛越探測一顆近地小行星。行星學會同美國宇航局簽有協議，涉及太陽帆技術數據互換。

雖然太陽帆技術目前只處于嘗試和試驗階段，但人類探索未知和創新的腳步永遠不會停歇。太陽帆技術被人類突破并掌握后，其應用前景十分廣泛，包括可以用來探測太陽系或更遠的宇宙，為立方星等小衛星提供在軌機動動力，還可能成為太空垃圾的清道夫等。