帆的太空時代

人類曾有過漫長的用帆時代，那鼓脹的風帆曾在工業革命前為人類的發展和文明的進步發揮過重要作用，但后來它們被使用燃料的引擎所取代。然而在太空中，事情很有可能完全顛倒過來，攜帶燃料的引擎難以帶領我們進行長距離的太空旅行，而帆則有希望做到這一點：以太陽光帆為動力的航天器很有可能在太空中實現帆的復活，開辟帆的太空時代。

2019年6月24日，一艘名為“光帆2號”的航天器被SpaceX的重型獵鷹火箭搭載升空。升空一個多小時后，重型獵鷹火箭釋放了一個名為Prox 1的立方體衛星，而“光帆二號”航天器就依附在這顆衛星上。一周后，Prox 1衛星釋放了“光帆二號”航天器，使其進入預定軌道，并展開了一面32平方米的太陽帆。至此，實驗獲得圓滿成功。

“光帆二號”并不是一次孤立的太空實驗，它是“光帆一號”的升級版。2015年5月，“光帆一號”航天器由宇宙神5型運載火箭發射升空。入軌后，“光帆一號”航天器展開了一個由聚酯薄膜制成的太陽帆，它的厚度僅有4.6微米。然而，兩天后“光帆一號”航天器出現故障，處于失聯狀態。幸運的是，8天后它又與地面恢復了聯系。最終，這艘光帆太空船在預定軌道上飛行了25天。

與“光帆一號”航天器相比，“光帆二號”航天器做出了一些新的改進。例如，它的軌道更高，并且攜帶了動量輪。動量輪可以讓太陽帆翻轉，從而控制太陽帆與陽光之間的夾角，讓帆面與陽光垂直，這有利于更好地控制探測器和提升飛行軌道。

光帆與光壓

一直以來，太空任務主要依賴以化學燃料為動力的太空引擎，它有一個突出的缺點，那就是難以實現長途旅行。因為化學燃料不管攜帶多少，它也不可能用之不竭。為此，人們一直在尋找解決問題的方法，例如使用核能和太陽能等，但相較而言，光帆更加誘人，它很有效率，很清潔，也很安全。

太陽光能為太陽帆提供推力嗎？答案是肯定的。17世紀，法國數學家皮埃爾·伽森荻在他的一本書中談到了他對于光的看法，他認為光是由大量堅硬的粒子組成的?，F代的光子理論認為，光能為物體提供光壓。光壓之所以存在是因為光是由大量光子組成的，光子也是一種粒子，每個光子都具有能量和動量，能與物質發生相互作用，而光壓就是光子把它的動量傳給物體的結果。這表明，光是可以提供推力的，只是這種推力在單位面積上十分有限，所以要獲得足夠的推力，太陽光帆必須做得很大，而且表面要十分光滑平整，加之在宇宙中運行的航天器處于失重狀態，又無空氣阻力，所以輕微的推力就可以使它加速。這樣的加速會一直持續下去，最終達到相當快的速度。

正因為如此，美國行星協會一直致力于研發太陽光帆，長期倡導發展太陽帆技術。他們的基本觀點是：太陽光帆不攜帶燃料，卻能獲得用之不竭的飛行能源，在長距離的太空旅行中具備明顯優勢。因此，在未來的星際旅行中，太陽光帆是前往其他星球最合理的航天器。

宇宙一號

美國行星協會主席路易斯·弗里德曼為實現太陽帆的太空飛行進行了不懈的努力。20世紀70年代，弗里德曼在美國宇航局噴氣推進實驗室工作，當時他就提出發射一艘以太陽光帆為推進器的航天器去會合將于1986年靠近地球的哈雷彗星。那時設計的太陽光帆達60萬平方米，其面積之大令人咋舌，顯然技術上存在難度。

此后，弗里德曼與他人一起組建了美國行星協會，并與俄羅斯航天科學家們建立了合作伙伴關系。他們共同工作，立志要把人類的第一艘太陽帆飛船送上太空。2001年7月20日，人類的首個太陽光帆飛船“宇宙一號”從一艘俄羅斯核潛艇上發射升空，然而飛船未能和火箭分離，最后折翼大海。此后，弗里德曼與他的團隊又重新建造新的光帆，名字仍為“宇宙一號”。2005年，新建成的“宇宙一號”航天器再次發射，但依然沒有成功。

“宇宙一號”航天器有8個三角形帆面，每個帆面的長度為15米，展開后的總面積接近600平方米，相當于一個半籃球場的面積。這些帆環繞于飛船主體的周圍。按照計劃，它們將在進入軌道后像花瓣一樣地展開，然后推動“宇宙一號”航天器在地球軌道上飛行一個多月，以驗證這種航天器能否在光子的推動下實現正常飛行。

帆在太空復活

雖然“宇宙一號”航天器發射失敗，但是科學家對太陽光帆的研究并沒有停止。世界各地的科學家仍在致力于太陽光帆的研究和實驗，包括歐洲空間局、美國宇航局和日本空間局等。美國宇航局曾于2008年7月底發射了一艘名為“納米飛行-D”的太陽光帆飛船，這是一艘小型的太陽光帆飛船，其主體結構的長度為30厘米，整個飛船的重量不足5千克，帆面上加了鋁外層的聚合材料，厚度相當于普通的紙張，這艘太陽光帆飛船包括4個小型太陽帆板，整張帆打開后大約有10平方米。然而，由于火箭發射失敗，這次嘗試仍舊沒有成功。

2010年5月，日本科學家發射了一艘名為“伊卡洛斯”的光帆航天器，其光帆呈菱形，直徑為20米。在一個月的時間內，它僅僅依靠陽光作用于帆上的力量將時速降低了38千米，這是一次前所未有的成功。它預示著：光帆，這種此前只得到理論證明的太空“推進器”終于產生了實際的效用。接下來的“光帆一號”和“光帆二號”實驗也是在吸收了此前的經驗和教訓的基礎上進行的進一步探索。

根據美國行星協會的計劃，“光帆二號”的后續實驗還有“光帆三號”。另外，科學家們還計劃在適當的時候發射“宇宙二號”航天器，它更加先進，各項指標都將超過“宇宙一號”。而日本也計劃進一步擴大光帆的面積，并用新一代光帆航天器探測木星?？梢钥闯觯F階段的實驗多為一些技術性的測試，其目的是為未來真正的光帆航天打好基礎、積累經驗和收集數據。

可以預見，在未來，人類古老而偉大的發明——帆，將在太空中復活并寫下人類航天史的新篇章。