太陽帆：太空中的綠色動力——訪國際宇航科學院院士朱毅麟

□ 本刊記者 陳彩連

問：什么是太陽帆？

答：所謂太陽帆，就是一個在太空展開的面積很大、表面平整、光滑、無斑點和皺紋的薄膜，薄膜一般由聚酯或聚酰亞胺等高分子材料制成，表面鍍鋁或銀，使其具有全反射的特性。

問：太陽帆是如何獲得動力的？

答：太陽光傳送光和熱，照到人身上，人會感到暖洋洋的，但從來也沒有人感覺到太陽光有壓力。實際上，太陽光是有壓力的，因為光具有兩重性，既是電磁波，又是粒子——光子。光線實際上是光子流，當光子流受到物體阻擋時，光子就撞到該物體上，就像空氣分子撞到物體上一樣，它的動能就轉化成對物體的壓力。

“伊卡洛斯”奔向金星示意圖

不過，太陽光產生的壓力——光壓是非常非常小的。不僅人感受不到，就連普通的儀器也測不出來。在地球附近，太陽光照射到一個平整、光亮、能完全反射光的表面時，產生的壓力最大，大約是9×10－6牛/平方米，也就是說1000平方米平整光亮的面積上才受到9毫牛的壓力，只相當于一個2分硬幣的重量。在地面上，由于重力、大氣壓力、空氣阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太陽光壓力被淹沒在這些宏觀力的汪洋大海之中，顯現不出。

“伊卡洛斯”太陽帆帆面結構

“山中無老虎，猴子稱大王。”到了太空中，重力、大氣壓力、空氣阻力、摩擦力等幾乎完全消失，太陽光壓才有了出頭之日。一些具有創新思維的人開始想到利用太陽光壓來推動航天器在太空飛行。早在上一世紀初，俄羅斯宇航理論先驅齊奧爾科夫斯基就提出過這一大膽的設想。以后，又有不少科學家進行過研究。然而，只有當科學技術發展到今天的水平，在有強大的火箭把航天器送入太空的條件下，利用太陽光作為航天推進力才有了實現的可能。

問：太陽能夠提供的動力足以維持航天器的運行嗎？

答：太陽光壓的大小是與接受太陽照射的面積成正比的。受照面積越大，產生的壓力越大。為了獲得一定的壓力，必須有足夠大的受照面積，一塊面積為105平方米×105平方米（約一個足球場大小）的太陽帆，在太陽光正射下可獲得大約100毫牛的力，用它推動100千克的物體，可產生1毫米/平方秒的加速度。這個加速度極其微小，只有地面重力加速度的大約一萬分之一。

另外俗話說得好：“涓涓細流匯成大海，塊塊碎土堆成高山。”速度等于加速度與時間的乘積，盡管加速度非常小，只要時間足夠長，終能達到一定的速度。即使航天器的加速度只有1毫米/平方秒，那末，一天以后，速度達到86.4米/秒（合時速311千米）；一個月后達到2592米/秒（約7.6 倍音速）；130天后，就可超過第二宇宙速度。達到11.23千米/秒；一年后可達到31.54千米/秒，足以飛出太陽系，由此可見加速度不在大，時間長則靈。

“伊卡洛斯”帆面展開示意圖

問：用太陽帆作動力有哪些優點？

答：迄今為止，航天飛行都是用化學火箭作動力，需要攜帶大量推進劑。想要達到的速度越大，需要的推進劑越多。由于受到可攜帶推進劑數量的限制，化學火箭只能短時間工作。

太陽帆用作航天動力的最大特點是：不需要攜帶任何推進劑或工作介質，只要有太陽光就行。太空中太陽光是用之不盡的，太陽帆工作不受時間限制，真像是一部“永動機”。它比較適用于長時間、遠距離和超遠程的航天飛行，例如，太陽系內的行星航行和飛出太陽系的恒星際航行，特別是對于需要返回的航天飛行，可以免去攜帶回程用推進劑的重負。

利用太陽帆和離子發動機探測木星示意圖

用太陽帆作航天動力的另一優點是清潔、安全。太陽帆不消耗能源，不發生化學變化。不產生廢氣、廢物，不污染環境，是人們所希望的、保護太空環境的“綠色動力”。

利用太陽帆產生的力可以用來提升或降低衛星的運行軌道；太陽帆不僅可以使航天器遠離太陽飛行，調整太陽帆相對于太陽的不同角度，也能使航天器迎著太陽飛行，如同水面上帆船利用風力在帆與舵的控制下逆風行駛一樣。這對于未來行星際航行是很有意義的。