馭光飛行的太陽帆探測器

沈臻懿

提起“太空旅行”，人們顯然不會陌生。1957年10月4日，蘇聯在拜科努爾航天中心用P-7洲際導彈改裝的運載火箭把世界上第一顆人造衛星“斯普特尼克1號”（Sputnik-1）送往太空以來，在半個多世紀的時間里，世界各國已成功執行了數以萬計的太空發射任務，甚至還包括了若干個直達太陽系邊緣的深空探測器。

對于太陽系深處的秘密，人類始終懷揣著探索揭秘的科學精神。然而，現有火箭發動機工作時長不足、發射和燃料等費用極為昂貴等因素，制約著深空航天探測器的發展。當前，航天發射的總質量中，有超過九成被燃料所占。倘若能夠大幅減少存儲燃料的空間以及對于燃料的依賴，無疑將加速深空探測的前行步伐。

科學家們陸續提出了不少新型方案，以期人類向太空探索的腳步能走得更快、更遠。這些技術方案中，一種名為“用太陽光帆來取代現有火箭發動機和燃料”的設想尤為引人關注。根據這一設想，太陽光帆能夠讓航天器穿梭于太陽系內部和恒星之間，并擺脫其對大型火箭發動機和巨量燃料的依賴。

在不可再生的化石燃料充斥全球能源領域的今天，有一群科學家別出心裁，關注起了“風帆時代”的能源動力。茫茫大海中，有風浪的存在即可揚帆起航。但在空氣極為稀薄的太空，并沒有我們所熟知的風，那又如何揚帆呢？

早在400多年之前，當人們還在持續探索廣袤無邊的海洋時，德國天文學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）就已經提出了單純依靠太陽光能量對太空進行探索的設想。開普勒通過觀察被太陽風吹動的哈雷彗星尾巴，堅信只要用船帆來捕捉到這種風，就能類似風在海洋上推動船舶一般，推動太空飛船前進。19世紀中葉，麥克斯韋方程組證實了“光子有動量”的事實。同期，著名科幻小說家凡爾納在其構想中，大膽假設了用太陽帆到月球旅行的場景。不過，在隨后的一百多年時間里，太陽光帆航天器一直停留在理論設想層面。隨著日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）等國際航天機構的介入研發，太陽光帆技術才逐漸從設想邁向現實。

物理學研究揭示，光子沒有靜質量，但有一定的動量，并可將其動量傳遞給其他物體。因此，當太陽光的光子撞向太陽帆，航天器便可獲得光子的動量。單個光子的動量雖然極小，但只要有足夠多的太陽光子，航天器就可在太空中“揚帆起航”！鑒于太空中沒有空氣阻力，單位時間內落在太陽帆上的光子數量越多，航天器獲得的加速度也就越大。由于太陽光的存在，可在整個星際航行中對航天器進行持續加速，從而達到化學能航天器無法企及的速度。同時，只要有足夠大的光帆面積，就可以在單位時間內收集到更多的太陽光子。從理論上來說，太陽帆的尺寸沒有上限制約，有科學家甚至提出了打造60萬平方米太陽帆的設想。但如何部署如此巨大的光帆，仍是一項未能攻克的科技難題。

隨著航天器飛行速度的提升，人們探索遙遠星空的時間將會大幅縮短。我們知道，冥王星是太陽系中最遙遠的天體之一，其距地球的最近距離為47.8億公里，距地球最遠的距離達75億公里。假設采用完全由太陽驅動的光帆航天器，人們有望在不到5年的時間內飛抵冥王星。同采用現有技術的深空探測器飛掠冥王星的耗時相比，其足足可以節省下一半的時間，這也將大大節約星際旅行所耗費的光陰。盡管光帆的提速能力較為有限，但其可以長年累月地持續提速，最后厚積薄發為巨大的速度變化。

太陽光帆技術探測器的問世，有著其特定的科技發展背景。隨著當前微小衛星技術的不斷發展，研發成本較低的微小衛星成了科學家們探索太陽光帆技術的首選。除了成本相對低廉外，微小衛星重量輕、體積小的特點，也更有利于發揮太陽光帆的優勢。

作為太空運輸的全新嘗試，太陽光帆技術探測器的最大亮點就在于其完全依賴太陽帆作為動力系統，并印證了太陽帆是立方體衛星的一種可行的驅動技術。為了更好地利用太陽光的能量，太陽光帆技術探測器上需要攜帶動量輪，從而實現太陽帆的翻轉，控制太陽帆和陽光之間的夾角。當探測器向陽飛行時，在動量輪的控制下，光帆帆面與陽光之間呈平行排列，此時太陽光子就無法落在光帆上;當探測器背陽飛行時，動量輪則會控制光帆帆面與陽光方向垂直，此時就可以充分利用光子來推動探測器加速，從而抬高探測器的軌道。

太陽光帆技術探測器推進的重任，全部由太陽帆承擔。除了光帆之外，探測器上沒有其他任何動力裝置。為了能夠精確掌握探測器在太陽帆推進下的變軌情況，需要在探測器的底部加裝一組鏡面用于激光測距。地面控制站只需要將激光打到探測器底部的鏡面，便可對其作出精確測距。目前，絕大多數的人造衛星都定位于400公里以內的低地球軌道。在這個高度，仍然會有極為稀薄的大氣，會嚴重干擾光帆的正常運作。因此，太陽光帆技術探測器的軌道目前雖仍限定于近地軌道，但其設計軌道往往會更高，達到800公里以上便能夠有效避免地球大氣對于太陽帆帶來的阻礙。

不可否認，太陽光帆技術目前仍處于實驗階段，但關于太陽光帆航天器的故事才剛剛拉開帷幕。完全由太陽驅動的航天器，可能將會引發航天器領域的一次重大變革。

現有航天器在獲得自身速度時，主要來源于火箭的動力，后期則缺乏高度的機動性。反觀太陽光帆航天器，從理論上來說，其可以無限利用光帆進行變速，較之現有航天器能實現更快的速度以及更為復雜的飛行路線。現有航天器的主要體積和重量，基本都來自攜帶的燃料。我們知道，太陽光帆航天器的動力，全部來自太陽光，自身并不需要攜帶燃料。這就使得太陽光帆航天器能夠有更多的空間用于科學研究和資源運輸等方面。由于太陽光帆航天器擺脫了燃料的限制，其使用壽命也將得以無限延長。只要航天器運行正常，就可以一直工作下去。近乎無窮無盡的太陽光，能夠使太陽光帆航天器擁有比核動力航天器更長的理論壽命年限。

日本JAXA曾發射的金星探測器“伊卡洛斯”（IKAROS），不僅首次成功驗證了太陽帆的推進力，更是世界上第一艘太空帆船。近期，該機構甚至提出了一項更具有挑戰性的前景目標。其計劃于2026年前后，發射升空一個光帆面積將達到1600平方米的巨型太陽帆探測器OKEANOS，用于前往探測與木星共用軌道的特洛伊群小行星（Trojan asteroids）。作為下一代太陽帆探測器的OKEANOS，將擁有兩套動力。一套是太陽帆，另一套則是離子發動機。兩者的結合，能夠發揮出更大的效能優勢。根據JAXA的研發，OKEANOS探測器將攜帶高分辨率質譜儀對木星進行探測。其太陽帆則將升級為太陽能帆，采用太陽帆和太陽能電池板作為混合動力，以此產生的電力，可供離子發動機使用。

或許在未來的某個時刻，人類便可“揚帆起航”，在陽光下遨游太空！

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com