乘著陽光游太空

400 年前，天文學家開普勒曾設想，不要攜帶任何能源的宇宙帆船，僅僅依靠太陽光能就能馳騁太空。但太陽帆飛船這一概念到20世紀20年代才逐漸明晰起來。

1924 年，俄國航天事業(yè)的先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和其同事弗里德里希·燦德爾明確提出“用照到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽帆——一種包在硬質塑料上的超薄金屬帆的設想，成為今天建造太陽帆的基礎。

2001 年7 月，俄羅斯曾試驗過一次“太陽帆”，但因航天器未能與火箭分離，結果以失敗告終，燒毀在稠密的大氣層中。2004 年，由美國行星協(xié)會出資，莫斯科拉沃奇金科科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的“宇宙一號”太陽帆，從一艘停靠在巴倫支海的核潛艇上發(fā)射，但是在發(fā)射88秒后即失去聯(lián)系。

長期以來，美國宇航局也一直致力于太空飛行器的動力研究，希望能夠在外太空部署以太陽作為動力來源的太陽帆。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心決定于近期將這一想法付諸實施，在太空建立一個代號為“NanoSail-D”的太陽帆。“NanoSail-D”太陽帆將由“ 獵鷹-1”火箭負責送往太空。

如果成功，“NanoSail-D”將是人類在太空中部署的第一個太陽帆，也是第一個將太陽光壓力作為其方向和軌道控制主要動力的太空飛行器。據(jù)“NanoSail-D”項目負責人蒙哥馬利介紹，此次，他們將通過衛(wèi)星軌道部署器或微型衛(wèi)星專用發(fā)射筒裝置來部署“NanoSail-D”。“NanoSail-D”太陽帆的制作材料主要是鋁材和太空塑料，整個飛行器的質量不超過5 千克。太陽帆將會在太空中展開四個小型帆板。帆板完全打開后，飛行器著光面將近10 平方米，可以獲得較大的太陽光壓力作為飛行器的動力。

光壓提供動力

從太空旅行成為現(xiàn)實的那一天起，人類通往宇宙一直以來只有一種方式，那就是依靠火箭推進器。然而，太陽帆技術卻為人類提供了另一種選擇，并被科學家認為是人類太空船進行星際旅行的最大希望，因為它無須火箭燃料，只要有陽光存在的地方，它都會不斷獲得動力加速飛行。

那么，太陽帆的運行原理是什么呢？我們知道，光是由沒有靜態(tài)質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給被撞擊物體以相應的作用力，這就是光壓。太陽的光壓很小，相當于蘋果在手掌上的壓力的五百萬分之一。在地球到太陽的距離上，光在一平方米帆面上產(chǎn)生的推力只有9×10-6牛，還不到一只螞蟻的重力大。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。

可達光速的2%

陽光是一種取之不盡的能源，從這一點上來說，遠距離的太空旅行中使用太陽帆比使用傳統(tǒng)的火箭推進器要更勝一籌。

雖然，現(xiàn)有的火箭只要攜帶足夠的動力燃料，就可以一次性地飛出太陽系，而太陽帆除了具備這一能力外，甚至還具備從外太空返航的能力。與普通火箭相比，太陽帆最重要的特點就是速度快。由于太空中沒有摩擦，太陽帆一旦開始運行，將永不停止。眾所周知，“旅行者號”太空船具備飛離太陽系的能力，但這一過程需要30 多年時間。而即將升空的太陽帆將可能只需10年時間就可以趕上“旅行者號”。

從理論上說，太陽帆的最高速度可以達到光速的2%——6 000千米/秒。果真如此，星際航行將成為可能。

太陽帆的另一個優(yōu)勢是，它不需要燃料，也沒有發(fā)動機，所以可以攜帶更多的科學儀器和貨物。

星際旅行或成現(xiàn)實

太陽帆航天器的出現(xiàn)，使得星際旅行或成現(xiàn)實。如果能夠成功地利用諸如太陽這樣的恒星發(fā)出的光作動力，那么將有可能最終解決宇宙航行的能源問題。銀河系中有約4 000 億顆發(fā)光的恒星，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的宇宙中類似銀河系的星系約1 500 億個，恒星產(chǎn)生的光，有可能把太陽帆飛船送往人類想去的任何地方。

宇航專家預測，未來的某一天，帆飛船將踏上飛往另一顆恒星的旅程。這將需要邊長1 000 米、密度每平米0.1 克的帆。此外，還需要建造一個強力激光器或微波源，為飛船提供輔助能量。飛船將依靠繞地球軌道運行的、比太陽光強6 倍的強力激光器和一個置于土星和海王星間的面積為得克薩斯州大小的巨型聚焦透鏡提供能量。這樣飛船即可在太空高速飛行，在40年時間內即可到達距我們最近的阿爾法半人馬座恒星。目前對我們來說，制造這樣的激光器是困難的，制造這樣的透鏡也是艱巨的，但這并不意味著30 年、40 年或50 年后仍是如此。到達阿爾法半人馬座后，飛船將繼續(xù)飛行，但那時候，為其提供動力的光就已經(jīng)是來自另一顆恒星了。

“超級太陽帆”設想

美國艾爾文加州大學科學家本·福德提出了一個超級太陽帆設想。他說，利用他設計的太陽帆，只需一個月就能使從地面起飛的飛行器飛達火星，比承載勇氣號和機會號火星車的飛行器快7倍。

本·福德與弟弟詹姆斯共同提出的這一設想，是從地面發(fā)射微波能，將微波能射向很薄的碳網(wǎng)孔太陽帆時，太陽帆獲得的動力能比預期的增強幾倍。他們最終發(fā)現(xiàn)，是微波能中的熱使一氧化碳氣體從太陽帆表面逃脫，逃脫過程所產(chǎn)生的反作用力，使太陽帆獲得了額外的推力。

本·福德介紹了如何利用太陽帆一個月到達火星的設想：科學家先用火箭將宇宙飛船送入地球軌道，在宇宙飛船打開跨度為100 米的太陽帆后，地球上的發(fā)射器將微波發(fā)射至太陽帆，以加熱其上的涂層分子。根據(jù)計算，1 小時的微波發(fā)射能量可將宇宙飛船加速到每秒60 千米，比目前任何行星際宇宙飛船速度都快。這需要有60 兆瓦微波束能，其波束直徑與跨度100 米的太陽帆相當，并能跟蹤加速的宇宙飛船。但現(xiàn)有的微波傳送系統(tǒng)尚無法實現(xiàn)這樣的微波束能。

其他研究人員認為：“盡管還有很多細節(jié)尚待解決，但這一設想是有意義的。”