光帆2號奔向太空

吳青

美國天文學家卡爾·薩根一直夢想駕乘由太陽光推動的風帆（簡稱光帆或太陽帆）環(huán)游太空，從我們的太陽飛向另一顆恒星。如今，由奈比爾擔任首席執(zhí)行官的美國行星學會，希望運用一顆鞋盒子大小的人造衛(wèi)星來幫助薩根實現(xiàn)夢想。迄今為止這類太陽帆只測試過幾次，但太陽帆有朝一日真的有可能搭載飛船抵達其他行星，甚至抵達其他恒星系統(tǒng)。

2019年6月24日，美國太空x公司的獵鷹號重型火箭從美國佛羅里達州的肯尼迪航天中心發(fā)射臺升空。該火箭的巨大前錐體內(nèi)除了裝著其他24顆人造衛(wèi)星外，還裝著一個鞋盒子大小的裝置，它由利用陽光壓力的輕飄飄風帆推動自己前進。這艘名叫光帆2號的飛行器，有可能標志著一個太空飛行新紀元的開始。在這一新紀元中，科學家將放棄他們已經(jīng)依賴了幾十年的傳統(tǒng)火箭發(fā)動機，改為優(yōu)雅地搭乘陽光之風。在發(fā)射大約7天后，光帆2號從火箭前錐體中蹦出，展開直徑4米的帆桿，部署4張鏡面似的密拉聚酯薄膜，構(gòu)成總面積32平方米的風箏形風帆。剩下的事就交給純粹的宇宙魔法。

根據(jù)行星學會的介紹，光帆2號是第一艘在地球軌道中完全依靠光來推動的飛行器。光帆2號將像帆船一樣搶風航行以提升自己的高度，這將讓光帆2號成為第一艘進入環(huán)繞地球的更高軌道的飛行器。這一太空飛行業(yè)績有可能是朝著薩根的夢想——乘著由光柱驅(qū)動的反射帆穿行宇宙——邁出的又一大步。

400年前提出夢想

如果你把自己的手掌伸出面向太陽方向，你會有什么感覺？手掌發(fā)熱。但是，還有一種壓力隱藏在太陽光熱中。這種壓力很小，以至于你永遠感知不到它。光本身確實會施加一種力量，就像微風，但風力很小，所以你注意不到。在地球上，太陽光的壓力差不多只相當于一張紙放在你手心的壓力感。但在接近真空的太空，就算很小的壓力也會產(chǎn)生大影響，因為這種壓力時時刻刻、日復一日地在施加推動作用。與火箭燃料不同，太陽光在太空中可以說是幾乎無限和免費的供應。要想在太空利用這種能源，太陽帆非常合適。就像過去的航海者利用風，未來飛行器（甚至太空旅行者）可以在太陽光幫助下推動自己穿越廣袤的宇宙空間。至少，薩根是這么想象的。薩根對未來太空探索有一大展望——他想象太空旅行者投身星系際劃船賽，運用星光作動力驅(qū)動飛船穿行宇宙。然而，薩根并不是設想人類駕乘光線來航行的第一人。

400年前，一顆劃過地球天空的彗星引起了德國天文學家開普勒的注意。他觀察到這顆彗星的彗尾看來拖曳在彗星本身的背后。開普勒想，一定是太陽光在加熱彗星，從而釋放彗星表面物質(zhì)。這一精準觀測激勵開普勒進一步想到：陽光可以被作為一種有用的推動方式。他在1608年寫給意大利天文學家伽利略的信中說：“如果船帆適應了蒼穹中的微風，那么就會有人敢于挑戰(zhàn)進入宇宙空間。”

開普勒生活在一個科學復興時代，當時人類開始意識到自己在宇宙中的位置。地球并不是太陽系的中心，而只是圍繞眾多恒星中的一顆一太陽轉(zhuǎn)的許多行星之一。因為在開普勒時代船是一種主要交通工具，而船由風推動，所以開普勒很自然地聯(lián)想到人們可能會以與水手航海一樣的方式揚帆太空。但直到1865年，開普勒的夢想才被證實并非完全是幻想。這一年，德國物理學家麥克斯韋證明光線中包含被稱為光子的能量包，光子所具有的動能可以被傳導給其他物體。如果光子接觸一個諸如閃亮太陽帆這樣的物體，光子就會傳遞自己的一部分能量給太陽帆（光帆），并推動太陽帆前行。

隨著第二次世界大戰(zhàn)后火箭科學的發(fā)展，也隨著蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的發(fā)射，探索太空的理念從科幻小說迅速變成現(xiàn)實，太陽風帆也再度呈現(xiàn)為一種誘人的驅(qū)動方式。美國宇航局在成立后不久，就開始策劃一系列雄心勃勃的太空任務，包括資助多項有關(guān)太陽帆的研究。20世紀70年代，美國宇航局出臺了一個讓飛行器與一顆彗星會合的計劃，而這顆彗星正是開普勒在幾百年前目擊的那顆彗星。這艘飛船計劃裝備太陽帆，運用太陽能來航行。不幸的是，該計劃還未等到發(fā)射階段就被取消，但太陽帆的理念并未隨之消亡。

太空揚帆技術(shù)可行

當時參與這一太陽帆計劃的美國宇航局科學家弗里曼，至今確信太陽帆是一種可行的推動方式。他與薩根以及美國宇航局噴氣推進實驗室前主任穆雷在1980年聯(lián)合組建了行星學會，其主要目的就是把太陽帆變成現(xiàn)實。

要想造出一部巨大而又超輕的太陽帆，之后又要以可承擔的發(fā)射成本把它發(fā)射到太空，這真的是一大挑戰(zhàn)。但行星學會的高層決心己定，他們在2005年終于進行了第一次太陽帆發(fā)射，這部太陽帆就是宇宙1號飛行器。不幸的是，宇宙1號未能進入軌道，而是墜毀于俄羅斯附近的巴倫支海。又過了10年，行星學會終于實現(xiàn)第一次成功的太陽帆測試。

在2005年的失敗后，行星學會回到起點，決定縮小計劃規(guī)模再次嘗試。只有鞋盒子大小的立方體衛(wèi)星設計方案成功出爐，替代傳統(tǒng)的龐大太陽帆。奈比爾說，立方體衛(wèi)星的出現(xiàn)實際上引領(lǐng)了現(xiàn)在的方形太陽帆設計。光帆1號是宇宙1號的縮小版。2015年，光帆1號搭乘宇宙神5號火箭，與美國空軍秘密的X-37B空天飛機一起進入軌道。一進入軌道，光帆1號就證明自己能夠在太空真空中成功部署光帆。但這顆小小的人造衛(wèi)星在任務過程中面臨一系列故障，包括軟件出錯、信號丟失和電池失靈。在低地球軌道中經(jīng)歷了一連串動蕩后，光帆1號終于展開了4張閃亮的密拉風帆，證明整張光帆可以被塞在一個小包中。

盡管遭遇了一連串挫折，光帆1號作為對太陽帆技術(shù)可行性的證明還是成功的。或許是為了證明自己能行，它發(fā)回了自己的最后自拍照。同時，它也讓人們仰望天空，試圖看見正在地球上空高飛的它。在光污染很嚴重的美國紐約市夜空，奈比爾還真的看見了在夜空中閃爍的光帆1號。這對行星學會來說自然是一個巨大成就，這個非營利組織的目的是幫助發(fā)展太空科學和促進太空探索。事實上，太空探索無國界，世界各地都不乏太空迷。如今已有超過4萬人成為行星學會成員，其中每人都捐款l～i00萬美元支持太陽帆研發(fā)，他們都為自己能有機會幫助新的太空推進技術(shù)——太陽帆研發(fā)感到自豪。

太窄光帆多次嘗試

多年來，在行星學會建造自己的太陽帆的同時，全球各地的其他類似組織或機構(gòu)也在研發(fā)太陽帆。2015年，由英國著名航天研究機構(gòu)——薩里太空中心研發(fā)的立方帆號太陽帆成功發(fā)射升空，但未能完全按要求展開。其他3個小型太陽帆任務——美國宇航局的納米D太陽帆、加拿大的加X-7太陽帆和薩里中心的膨脹太陽帆也取得了部分成功，但它們都像光帆1號那樣只進入了低地球軌道。

迄今為止，日本在太陽帆研發(fā)方面取得的成果最多。2010年，日本的“行星際太陽輻射加速風箏船”（簡稱伊卡洛斯號）升空進入環(huán)繞太陽的軌道。一進入深空，伊卡洛斯號就旋轉(zhuǎn)打開了直徑14米的方形太陽帆，創(chuàng)下歷史上這方面第一個紀錄，并開始運用太陽光能掌握方向和變速。伊卡洛斯號的風箏形太陽帆上嵌有太陽能電池來發(fā)電，但這些電池的發(fā)電量不大，發(fā)電目的是作為試驗臺測試未來的離子推動發(fā)動機。

發(fā)射后的3年中，伊卡洛斯號經(jīng)常測量自己被光壓加速的情況。它還測試了運用鑲嵌在太陽帆中的液晶來控制移動的多種方法。這些液晶能調(diào)整太陽帆的反射性和改變太陽帆的速度。流過太陽帆的電流會增加太陽帆的反射性，讓太陽帆向前加速，而關(guān)閉電流則讓光壓更分散。

日本太空署科學家此前曾表示，伊卡洛斯號在該任務于2015年的計劃結(jié)束期之前能調(diào)整自己的航道和定向。雖然地面控制中心后來與伊卡洛斯號失去聯(lián)系，但跟蹤表明它依然在地球和金星之間環(huán)繞太陽運行。因為光壓改變，伊卡洛斯號的軌道形狀也持續(xù)改變。盡管伊卡洛斯號成就斐然，但它的數(shù)據(jù)卻表明在充分實現(xiàn)太陽帆的潛能之前科學家依然有很長的路要走。

行星學會希望，如果一切都像計劃的那樣順利，光帆2號將把太陽帆轉(zhuǎn)變成一種低成本、零推進劑且可靠的太空飛行方法。由此昭示的可能性幾乎無限。利用太陽帆，未來飛船可以到月球，到小行星，到木星，到任何有太陽光之風吹拂的地方，而且根本不用耗費任何燃料。

（責任編輯程輝）