太空揚帆

無需燃料，也不用火箭作推力，僅憑一張帆，太空飛船就像帆船一樣揚帆航行在浩瀚的太空——這聽起來不可思議，但卻并非科幻。

一面巨大的反射鏡

太陽帆是什么?簡言之，太陽帆就是由一面巨大的薄膜做成的反射鏡，用來攔截太陽光，利用太陽的光壓(也叫“輻射壓”)作為推力，推動飛船前進。當然，它也可利用其他光源如地面發(fā)射的激光等作推力，在后面的情況下，它又被叫做“光帆”或“光子帆”。

那么，什么是光壓?如果你把手伸到陽光下，你會有什么感覺?你一定會感覺到“熱”。其實，除了熱還有壓力，這就是光壓，只不過光壓是如此之小，以至于在你整個的手掌面積上只有百萬分之一盎司(1盎司等于28.35克)，因此你是不可能感覺到的。

或許有人會問：光壓那么小，何以能推動飛船前進?這是因為：其一，在一切時間內(nèi)都有太陽光提供光壓，飛船時時有能量增加，涓涓細流最終匯成大海；其二，飛船幾乎在潔凈的真空中飛行，那里只有很小甚至沒有阻力阻止飛船前進。

1867年，法國著名科幻作家儒勒·凡爾納在其小說《從地球到月球》里提出一個重要概念：光壓有機械力，可以推動機械。1873年，著名的行星運動定律發(fā)現(xiàn)者、德國天文學家開普勒的一項發(fā)現(xiàn)，使光壓從科學幻想走進科學殿堂。開普勒在觀測彗星時發(fā)現(xiàn)，彗尾好像被什么東西吹動了。由于當時的歐洲人熱衷于發(fā)展航海事業(yè)，對風吹帆船在海上航行非常熟悉，開普勒由此聯(lián)想到，也許正像風推動海中的帆船，彗尾的移動是由太陽的“微風”造成的。據(jù)此，他設(shè)想：如果能制造出可利用“空間空氣”的船和帆，就可以在空間進行滑翔。他進一步設(shè)想：推進太陽帆的最好方法不是用太陽風，而是用太陽光本身的力。這個“太陽光本身的力”就是光壓。

后來，著名物理學家麥克斯韋在研究電磁波時發(fā)現(xiàn)，光也是電磁波，可見光是我們的眼睛看得見的電磁波。1873年，他用實驗證明，光子從反射面上彈起時，太陽光對反射面施加了一個“柔和的壓力”。所謂“柔和”，是指壓力很小。

太陽光的光壓究竟有多大呢?據(jù)測量，在太陽到地球的距離上，太陽光照射在空間1平方米面積上的能量為1.3～1.4千瓦。在物理學上，經(jīng)常將這個能量除以光速(每秒30萬千米)得到一個新的物理量——動量，再由單位時間內(nèi)動量的變化來計算太陽光的壓力。用這種方法計算出的太陽光的壓力非常小。作用在每平方千米太陽帆反射面上的壓力只有9牛頓。9牛頓的推力雖然很小，但在高度真空、清潔的空間，由于沒有明顯的摩擦力干擾，它仍能發(fā)揮巨大的推動作用，讓飛船在太空揚帆遠航。

關(guān)于光壓的作用，有一件事令我難忘。1960年，美國宇航局發(fā)射“回聲-1號”衛(wèi)星。這是一顆直徑為40米的巨大的氣球衛(wèi)星，體積大，重量輕。每當它出現(xiàn)在天空時，用肉眼也能看得很清楚。當時，我剛剛被分配到天文臺從事人造衛(wèi)星研究工作，接受的第一個任務就是“管理”這顆明亮的人造衛(wèi)星。所謂“管理”，其實是指觀測。

我的工作是根據(jù)觀測資料計算出“回聲-1號”衛(wèi)星的軌道，再據(jù)此預報它未來的行蹤。按常規(guī)，在地球附近運行的人造衛(wèi)星，其軌道受到兩種因素影響：一是地球橢率(表示地球不規(guī)則形狀的量)，二是地球大氣阻力。可是，盡管考慮了這兩種因素，我們?nèi)匀徊荒軠蚀_預測出“回聲-1號”的軌道。這是怎么一回事呢?后來，我們根據(jù)“回聲-1號”衛(wèi)星體積大、重量輕的特點，認為它易受光壓的影響，于是就在影響衛(wèi)星軌道的因素中又加進一項——光壓。結(jié)果，桀騖不馴的“回聲-1號”服服帖帖地鉆進了我們用數(shù)學公式為它編織的樊籠。后來，通過對其他類似衛(wèi)星軌道的研究，我們進一步認識了光壓。

還有一個例子。1974年，美國宇航局發(fā)射了一艘水星考察飛船——“水手-10號”。水星最接近太陽，周圍有很強的陽光，是進行太陽帆試驗的最好去處。飛船控制者設(shè)想用太陽的光壓對飛船進行高度控制，結(jié)果收到良好效果，由此進一步證明了太陽帆原理。

自由穿移在太陽附近

太陽帆是用什么材料制成的?又是怎樣發(fā)射和安裝的呢?

材料 用來制作太陽帆的材料要求具有重量輕、反射性能好、耐高溫和抗老化等特性，目前主要有鍍鋁的聚酯薄膜、有孔的薄鋁網(wǎng)、鍍鋁的聚酰亞銨薄膜和鍍鋁的CP-1膜等，最常用的是鍍鋁的聚酰亞銨薄膜。由于耐高溫，太陽帆可以在太陽附近自由穿梭。

設(shè)計 與時大時小的空氣動壓不同，太陽的輻射壓很小，而且是固定的。因此，攔截輻射壓的太陽帆一定要滿足質(zhì)量很輕、推力很大的要求。為此，在設(shè)計太陽帆時，需要考慮有最高的推力與質(zhì)量比。

美國科學家用30～100納米厚的薄鋁片制造了一張試驗用太陽帆，其推力為塑料薄膜帆的10倍以上。但由于材料太脆，不能安全地折疊、發(fā)射和展開，只能在空間生產(chǎn)。

在地面上也制造出了最高推力與質(zhì)量比的太陽帆，這就是方形帆。這種帆用四根桿子將帆的四角張開，中間用一根桿子安裝引線，桿子和引線都安裝在帆的背光面。這種太陽帆的優(yōu)點是具有防護太陽的結(jié)構(gòu)，可以非常近距離地接近太陽，從而獲取最大的推力。

20世紀70年代以來，美國科學家還研制出旋轉(zhuǎn)薄片帆、旋轉(zhuǎn)環(huán)形帆、環(huán)形帆、“直升飛機”帆以及電子太陽風帆等多種太陽帆。它們各具優(yōu)點，也各有缺點，需要進一步完善。

發(fā)射 太陽帆因為使用的材料很脆，容易破裂，絕對不能直接從地面發(fā)射。發(fā)射太陽帆的方式有三種。一是先將太陽帆發(fā)射到太空，然后在太空展開，這樣做需要兩艘飛船。二是用衛(wèi)星或其他飛船提供微波波束或激光光束在太空展開太陽帆，具體做法是：把這些成束的能量發(fā)射到太陽帆附近空間，在太陽帆穿過時為它提供第二能源。三是在發(fā)射時用微波波束推動太陽帆，發(fā)射后用可膨脹暴漲系統(tǒng)將太陽帆展開，然后用激光光束推動太陽帆飛行。

安置 來自于太陽或其他輻射源的光壓由反射鏡反射。作用在反射鏡上的光子推力如同自然界其他力一樣是矢量，即具有大小和方向兩種屬性。推力的大小和方向，同反射面與太陽的相對位置有關(guān)。當太陽光垂直入射到反射面上(稱為正射)時，太陽光的壓力全部用于推擊反射面；當太陽光不是垂直入射，而是以一個角度入射到反射面(稱為斜射)時，根據(jù)光反射定理，光線將被反射出去，反射光與反射面所成角度等于入射光和反射面所成角度，在這種情況下，只有投影到垂直于反射面的那部分太陽光的壓力推擊反射面，變成推動太陽帆前進的動力。

如此看來，太陽光入射太陽帆反射面的最佳方式是正射，但這實際上是不能實現(xiàn)的。因此，太陽帆通常置于斜射位置上，入射角的大小以使得飛船飛行方向的推力分量得到最佳數(shù)值來確定。

太陽帆的制作和安置是一件非常嚴密的工作，只有用理想材料制成太陽帆，并正確地裝配在飛船上，才能很好地獲取太陽光壓，推動飛船在浩瀚的太空中前進。

出師不利的太陽帆試驗

2008年8月，美國宇航局發(fā)射一顆小型-衛(wèi)星——“納米帆1-D”，這是美國宇航局制造的第一顆太陽帆微型衛(wèi)星，其主要任務是用衛(wèi)星把太陽帆帶到空間進行展開試驗。

“納米帆1-D”是一個很小的衛(wèi)星，重量不足4.1千克。衛(wèi)星上裝有一個30平方米的方形超薄太陽帆。如果一切順利，衛(wèi)星進入軌道后，在很短時間內(nèi)太陽帆就會彈射出來。三天后，飛船將根據(jù)計算機指令打開艙門，太陽帆即可展開。這張?zhí)柗牟牧鲜潜燃堖€薄的很輕的蛛絲纖維，外面鍍了一層薄鋁膜，以增強推力性能。

但是，太陽帆衛(wèi)星在空間成功展開并不是一件容易的事。太陽帆是用超薄材料制成的，很脆，只能用特殊的技術(shù)折疊和打開。所以，雖然早在17世紀“帆”在空間飛行的概念就已被提了出來，但卻久久不能投入使用。開普勒和俄羅斯空間先驅(qū)弗里德里奇·燦德爾提出的用太陽光壓推動“帆”在空間飛行的想法，也因材料堅固性、厚度、耐久性都不能滿足苛刻的空間環(huán)境條件而不得不擱置起來。

20世紀20年代，蘇聯(lián)科學家康斯坦丁·齊奧爾柯夫斯基提出“太陽帆”這個概念。1951年，他又進一步了闡述了太陽帆的工作原理，從而大大地激發(fā)了其他科學家的熱情，太陽帆成為他們著迷的研究課題。

近年來，美國、德國和日本在地球上和低地球軌道上多次進行太陽帆展開試驗，取得了一些進展。2005年，美國行星協(xié)會用俄羅斯的“沃爾娜”火箭把“宇宙-1號”太陽帆發(fā)射到空間，但因第一級運載火箭沒能完全按照預定時間點火，致使“宇宙-1號”展開試驗失敗。同樣令人遺憾的是，這一次，美國宇航局的“納米帆1-D”展開實驗也告失敗。

迄今為止，科學家還沒有在空間成功展開過太陽帆，但他們相信讓太陽帆飛船在太空航行的美夢終將成真，理由是——研發(fā)太陽帆的技術(shù)已初步成熟，只待完善。

嶄露頭角的雛形太陽帆

一艘艘長上太陽帆“翅膀”的飛船在宇宙空間穿梭來往，一批批地球游客訪問“嫦娥”、“織女”，拜望“南極仙翁”……只要有了太陽帆飛船，這些科幻作家筆下的故事就都會變成現(xiàn)實。太陽帆飛船絕不是科學幻想，因為早在“宇宙-1號”和“納米帆1-D”之前，一些雛形太陽帆就已嶄露頭角。

1986年，在著名的哈雷彗星最接近地球之前，美國宇航局設(shè)想出一個絕妙的研究課題：通過太陽帆推動，讓空間的一個探測器改變軌道，飛向哈雷彗星；在它與哈雷彗星交會時，啟動飛船上的探測儀器，對哈雷彗星進行近距離探測。這個絕妙的研究課題實現(xiàn)了，不僅省錢省力，還為以后的哈雷彗星觀測開辟了一條新路。

1993年，俄羅斯在地球附近的軌道上部署了一面直徑為20米的旋轉(zhuǎn)反射鏡——“旗幟一2號”。別看它面積較大，重量卻很輕，可以像太陽帆一樣展開。這面旋轉(zhuǎn)反射鏡是為一項“改天換地”工程實驗制作的，該工程旨在把低緯度地區(qū)上空的太陽光“移”到俄羅斯北部去，讓那些居住在天氣異常寒冷的俄羅斯北部地區(qū)的居民能在冬天享受到陽光的溫暖。這個用金屬膜制成的反射鏡在空中高高地展開，產(chǎn)生了一束明亮的“陽光”，從法國開始，穿過歐洲大地，一直照到俄羅斯，所經(jīng)之處灑滿陽光。但是，由于不能進行自我控制，“旗幟-2號”在加拿大上空起火燒毀。

印度分別于1992年和1993年發(fā)射了兩顆通信衛(wèi)星——“印度國家衛(wèi)星-2A”和“印度同家衛(wèi)星-3A”。為了給衛(wèi)星上的儀器設(shè)備提供能源，每顆衛(wèi)星上都安裝了4塊太陽能電池帆板。這樣做解決了能源問題，但卻引來另一個麻煩：作用在太陽能電池帆板上的光壓產(chǎn)生了對衛(wèi)星穩(wěn)定性有害的力矩。為了消除這個力矩，科學家在每顆衛(wèi)星的北面安裝了一個太陽帆，作為衛(wèi)星的附屬品。

在未來宇宙航行中大顯身手

目前，空間飛行器的運載工具是火箭。但是，火箭是依靠燃燒化學燃料獲取動力的，只適合那些把衛(wèi)星或飛船送進軌道后不需燃料作軌道機動或只需很少燃料作軌道機動的飛行，而對于需要用很多燃料作軌道機動和高度控制的長距離空間飛行，困難就出現(xiàn)了：用火箭作運載工具需要燃料，而攜帶許多燃料勢必增加火箭的質(zhì)量；火箭推力與其質(zhì)量成正比，增加燃料勢必要求增加火箭的推力。

另一方面，如果飛船要進行遠距離飛行，例如飛到太陽系邊緣，就需要很多燃料用于軌道調(diào)制和高度控制，而在茫茫太空無處可尋能為飛船補充燃料的“加油站”。這樣一來，裝燃料的容器將大到不可思議。

太陽帆飛船的情形就不同了。太陽帆飛船的動力是光壓，而光壓取之不盡，用之不竭，任何時候任何地方，只要有陽光照耀，就有推動飛船前進的動力存在。因此，太陽帆飛船在未來的宇宙航行中將發(fā)揮特別重要的作用。

在現(xiàn)實中，還沒有任何用火箭推動的飛船能飛到外太陽系。而理論研究表明，用太陽帆推動的“帆船”卻能在離開太陽系的時候，速度增加到接近或大于核火箭系統(tǒng)加速的速度。當然，太陽帆在開始飛行時速度很慢，只有火箭起飛速度的百萬分之一。但隨著時間的推移，太陽帆的長處顯現(xiàn)出來：不僅能在近地空間飛行，而且能夠遠行，在良好的條件下，甚至能在地球與火星之間往返幾次。在這一點上，太陽帆飛船與由火箭推進的飛船之間的較量猶如龜兔賽跑，前者是烏龜，后者是兔子。在這場比賽中，由火箭推進的飛船很快跳出，快速地向著目的地奔跑；而太陽帆飛船則以穩(wěn)健的步伐慢慢地開始它的旅行。開始時，它的速度只有火箭起飛速度的百萬分之一，但由于太陽光樂持續(xù)給它動力，它的速度逐漸增加，最后能達到每秒90千米，比目前航天飛機的速度(每秒8千米)快十多倍。而由火箭推進的飛船則隨著燃料的減少，速度將越來越小，在燃料用完后，最終不得不停止飛行。

如此看來，火箭適宜作短途飛行，太陽帆則適宜作長途飛行。比如，在地球和月球之間飛行，用火箭幾天就能完成，用太陽帆則要飛幾個月；但是，“旅行者號”飛船用了20多年時間才接近太陽系邊緣，而月前研發(fā)的太陽帆一旦展開成功，只需8年多一點時間就能趕上它。

把科幻變成現(xiàn)實

在“阿波羅登月”以后，人類已經(jīng)發(fā)射了幾百艘空間飛行器，然而，迄今為止，我們?nèi)ヌ盏膭恿θ孕枰揽炕鸺l(fā)動機和化學燃料，目前航天飛行的重要交通工具——航天飛機95％的重量是燃料，這是很不經(jīng)濟的。太陽帆飛船的出現(xiàn)，將為未來的星際旅行提供一種新的經(jīng)濟實用的動力，我們就有可能實現(xiàn)完全不同的空間飛行。

目前，在地球上空幾百千米的軌道上殘留了許多碎片，它們是小衛(wèi)星飛行結(jié)束或運載火箭爆炸后留下的殘骸。一塊殘骸碎片可以在軌道上停留幾十年，危及其他飛船的安全。如何清除這些地球軌道上的“害群之馬”，是當今空間科學技術(shù)的一項重要任務。科學家希望用類似“納米帆1-D”的太陽帆作為“拖船”，把殘留在近地軌道上的空間垃圾“拖走”。太陽帆看起來像風箏，作用卻如同在地球稀薄的上層大氣中張開的降落傘，如果將展開的太陽帆拴在衛(wèi)星殘骸上并牢牢地拖住它們，就能使衛(wèi)星殘骸的飛行速度慢慢減小，而這些衛(wèi)星殘骸的軌道是由它們的飛行速度決定的，隨著飛行速度減小，它們的飛行軌道也會降低，這樣它們會慢慢接近地球，并在進入地球大氣層后同大氣發(fā)生摩擦，最后在大氣中燒毀。

太陽帆的應用范圍還有很多：可以為小衛(wèi)星實施一定的機動，由此為小衛(wèi)星在地面上方固定點上盤旋提供穩(wěn)定的推力；可以把太陽帆飛船送到地球和太陽之間的一組點上，對太陽風暴進行預警；把太陽帆裝在長期飛行的飛船上，可以持續(xù)不斷地為飛船提供推力，從而實現(xiàn)星際航行……

終有一日，太陽帆飛船將會把許許多多的科幻變成現(xiàn)實。