光帆

宇宙中竟然有大量的行星，天文學家的這一發現使得科幻小說中我們對于星系外的世界的夢想慢慢在實現。研究這些遙遠的行星能告訴我們地球究竟有多神奇，而且也會使我們對太空中我們的居所有更多的了解。這樣的想法促使美國航空航天局開始對星星進行觀測。但是觀測是一回事，要對它們進行實地探索是非常困難的。如果只能采用當今的技術，即便是要到達離我們最近的恒星也要花上數千年的時間。1998年我與美國航空航天局共同開展了一項有關推進技術的研究，它能夠使航天器飛到另一個足夠遠的星球以完成其使命，這樣任務要花費40年的時間，相當于一個教授一生用于科研的時間。最后我們只提出了3個在現在看來站不住腳的解決方案：核聚變、反物質和射束能量。當然，如今只有射柬能量有了充分研究并成為任何一個現實的近期研究計劃的一部分。很容易理解為什么射束能量這么有吸引力，當你開車長途旅行時。你要找加油站去加油，同時汽車也得能持續工作。相反地，現在的航天器必須隨身攜帶其需要的燃料。而且必須要在沒有人類干預的情況下運轉。那么能否把發動機和燃料都保留在地球上呢?除了能使飛行中的修復成為可能，這樣的安排可以減輕航天器的重量，那樣它就可以更容易地加速，射束能量或許就可以解決這一問題。工程分析表明使航天器做長時間飛行的最好方法，就是把一束強大的光學激光照在一個大而薄的“帆”上。早在1984年羅伯特·L富沃德就第一次提出了這種想法。激光可以遠距離傳輸能量，而光帆所具有的大面積使得它可以獲得與其規模有關的大量能量。

其他類型的射束能量，如微波也有這樣的用途。有些科學家甚至考慮把一種帶電粒子射向航天器。這些粒子在將要到達航天器時，會穿過一條超導磁圈，產生的洛侖磁力會提供推動力。就目前看來，把激光打在光帆上是最切實際的選擇。當激光光子打在光帆上，會有兩種結果：一是它可以與光帆上的原子周圍的電磁場發生彈性碰撞并被反射回來；二是光子可以被光帆材料吸收，這個過程可以使光帆溫度有極小地提高。兩個結果都可以提高速度，但是通過反射提高的速度是吸收的兩倍。因此，最有效的光帆是能夠反射激光束的那種。激光產生的加速度與它傳送給光帆的力量成正比，而與航天器的大小成反比。與其他的推進力方法一樣，光帆的作用受其熱性能和材料強度，以及我們設計小型航天器的能力的限制。已經有人提議光帆應當由那些具有結構強度的拋光的金屬薄膜制成。

光帆被加熱后，可以傳輸的能量就會受到限制。因為隨著金屬表面溫度提升，其反射力就會變得比較小。如果在光帆背面涂上一種可以有效吸熱的材料，那么光帆的溫度就會相對比較低，那樣它的加速度就會提升。為了達到非常高的速度，航天器必須保持它的加速度。光帆能達到的最快速度取決于地球上發出的激光是否能有效地照亮其目標。眾所周知，激光有一個重要的屬性就是一致性，是指它傳遞的能量不受距離的影響，直到到達其散射距離。只要超過散射距離，激光所傳輸的能量馬上就變得微乎其微。激光的散射距離以及由其提供能量的航天器能達到的最快速度取決于激光的光圈大小。非常強大的激光可能由一組緊密排列在一起的數百束小激光組成，其有效孔徑差不多是整個排列的直徑。當數百束小激光排列盡可能緊密時，就可以傳送最大限度的能量。我們曾研制出緊密度接近百分百鑲嵌式的排列。在位于加利福尼亞帕薩迪納的噴氣推進實驗室，我的團隊在研究任務成本時對單獨的激光束和排列的大小進行了衡量。要完成一次星際飛行，需要一個巨大的光圈。依照我們的設計，如果要在40年內把一個探測器送到恒星半人馬座α星，這個激光圈排列的直徑需要是1000千米。幸運的是，探索行星的任務需要的光圈要小很多。如果用一個46億瓦特的激光來給一個鍍金的直徑50米的光帆照明，那么只需要一個15米寬的光圈，就可以把一個重10千克的有效載荷在10天內送到火星。這一系統可以用三四年的時間把一個探測器送到太陽風與星際介質的邊界。光帆航天器可以自動追隨光束，因此調整方向的工作可以在地球上完成。甚至可以在光帆上放置一種反射外圈，它可以在即將到達目的地的時候脫離。這種圈可以像原先那樣繼續向前行進，把激光反射到已經和它分離的光帆的中心部分，從而推動光帆返回。很多與光帆有關的工作已經完成，美國國防部已經研制出高功率激光器和具有精確定位能力的光束，以此作為彈道導彈防御系統和反衛星武器研究的一部分。此外，旨在反射太陽光線的帆狀構造已經被測試過。俄羅斯科學家已經制造出一個旋轉的、直徑有20米的有機聚合物太陽能反射鏡——“旗幟2”號，它是一項旨在冬天給俄羅斯北部城市提供額外照明的計劃的一部分。按計劃，另一個直徑有25米的反射鏡也將要被測試。在美國，美國國家海洋和大氣管理局正計劃在4年內發射一個由太陽能光帆提供動力的航天器。它將在太陽和地球之間的不穩定軌道運行，在那里可以對太陽風暴產生的粒子進行一小時的預報。美國航空航天局正在考慮一個研發出激光光帆作為一種代替常規火箭的可能的、低成本的飛行計劃。正在考慮的任務既有在地球軌道中建一個直徑100米的光帆，也有要完成一段通過我們行星系統邊緣沖擊波的旅程。在不久的未來。實驗室可以測試參與探索火星、柯伊伯帶和星際介質等任務的光帆材料所具有的屬性。位于新墨西哥州的白沙導彈發射場使用的軍用兆瓦級化學激光可以用來照射安排在航天器上的光帆，以此來測試照射后的加速度。此外，計劃在5年內研制出的能夠輕易脫離電網的兆瓦級激光，能夠使光帆在軌道之間轉換。據我估計，這樣的激光可以在10年內給探索月球的科學任務提供能量。我們可以把光帆看作是未來的一個可能研制成功的科研成果，可以使人類能夠快速地拜訪太陽系內遙遠的地方以及太陽系外的太空，而不用花費太多。未來它們可以使探索遙遠的恒星成為現實。

亨利·M.哈里斯是加利福尼亞帕薩迪納噴氣推進實驗室的一名物理學家，主要研究星際探索。他也設計太空飛船和進行其他實驗。哈里斯也是一名爵士樂手，他還寫了一本關于科學和靈性的小說。

理論上的光帆：在未來，由地球上的激光驅動的飛行器可以把傳感器送到太陽系遙遠的地方或者是其他恒星。光帆的反射表面可以使速度最大化。小規模的結構可以攜帶輕型的有效載荷。