光帆之路

編譯 邢鴻飛

成功部署太陽帆，讓40載夢想成真。

光帆2號在部署運行期間，下加利福尼亞半島和墨西哥在其身后的背景中清晰可見。它的雙185度魚眼照相機鏡頭可以捕捉到大半個帆的范圍

一家小型非營利組織實現了40多年來的太空旅行壯舉夢想：證明了只用太陽光驅動航天器在地球軌道上運行是可能的。

2019年6月，在109個國家擁有5萬名會員的行星協會（Planetary Society）用SpaceX的獵鷹重型火箭將一枚5公斤重的宇宙飛船送入軌道，該火箭計劃為美國空軍搭載24艘宇宙飛船。

被稱為“光帆2號”的宇宙飛船被送入距地球約720公里的軌道。

經過初步測試，飛船部署了一個拳擊場地大小的反射聚酯薄膜，從那時起，它就在陽光的壓力下“航行”。

早在1977年，行星協會的創始人，天文學家卡爾·薩根就提倡用光帆作為宇宙飛船的推進器。

它們的工作原理是組成光的光子即使沒有質量，也有動量，能對光線照射到的任何物體施加溫和的壓力。通過用鏡子反射光線，這種壓力可以增加1倍，這就是為什么光帆2號的船帆使用了一層銀色薄膜。

薩根的夢想是用一個大的光帆推動一艘宇宙飛船。

行星協會的首席執行官、科學教育家比爾·奈（Bill Nye）說：“早在20世紀70年代，當時的提議是在哈雷彗星(上一次哈雷接近太陽是在1986年)的一側安裝一個1公里長的太陽帆，以追逐彗星。”

由于預算問題和有人認為想法不切實際，這個提議很快被放棄。然而，被稱為立方體衛星的小型航天器的開發重新喚起了人們的興趣。立方體衛星是由10厘米×10厘米×11.35厘米的小塊組件構成。(光帆2號由其中的三個方塊組成)。

它們不僅發射成本低廉，而且質量小，非常適合輕裝航行。不像薩根的彗星追逐者計劃那樣需要100萬平方米的光帆，光帆2號只需要32平方米的帆。

這艘飛船體積小，操作起來非常容易。這一點很重要，因為它的運行需要光帆在環繞地球旋轉時迅速改變方向，就像一艘帆船隨不斷變化的風向轉向。

該項目的首席科學家兼項目經理布魯斯·貝茨（Bruce Betts）說，實際效果非常顯著。在部署太陽能帆后的8天里，飛船將軌道的遠地點(離地球最遠的點)提升了1.7公里。

印第安納州普渡大學航空航天學副教授、項目經理大衛·斯賓塞（David Spencer）在新聞發布會上說：“3天前，我們得到的最大變化是在900米多一點。”

光帆2號的設計目的是測試對光帆的操控能力。“這一直是一個示范任務。”行星學會的首席運營官詹妮弗·沃恩（Jennifer Vaughan）表示。

而它的成功具有重要的應用意義。美國宇航局（NASA）有一個六立方衛星近地小行星（NEA）任務，名為NEA Scout，計劃在2020年的某個時候發射，也將使用光帆推進。

斯賓塞說：“我們已經就技術和研究成果分享達成了協議。我們真的很期待他們把太陽能航行技術提升到更高的水平。”

美國宇航局設在亞拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾航天飛行中心的首席研究員萊斯·約翰遜（Les Johnson）對此表示贊同。

他在光帆2號發射前告訴Cosmos：“我們都是太陽能舵手，想要達到同樣的目標。”

這可能只是一個開始。光帆不需要燃料，因此永遠不會耗盡動力；它們是完成長期任務的理想選擇，尤其是有些任務可能需要航天器進行大量低加速操縱。

奈指出，例如，光帆可以用來定位地球和太陽之間的宇宙飛船，在那里，宇宙飛船可以提供多達4到6小時的預警，警告我們前方可能出現的太陽輻射爆發的危險。或者，這樣的宇宙飛船可以向外尋找之前未知的可能對地球構成威脅的小行星。

奈還說：“太陽帆非常適合在更接近太陽的軌道而非地球軌道上定位，保持自己的位置。”

光帆還可以用來將航天器固定在不穩定的軌道上，比如將衛星永久置于地球兩極的軌道上，或者，它們可以用于多個小行星（太陽系外甚至是其他恒星）的長期任務。

奈表示，如果是普通的宇宙飛船，燃料最終會耗盡。這種燃料永遠不會耗盡。

此時，光帆2號的任務并沒有結束。斯賓塞說：“我們仍在努力改進航行控制。”他說，短期目標是繼續提高宇宙飛船的遠地點。但這種做法的副作用是降低了宇宙飛船的近地點（距離地球最近的地方）。而且，即使它在地球表面上方700公里處，我們星球上稀薄的外逸層也有足夠的空間對如此輕的宇宙飛船施加阻力。斯賓塞說：“近地點越低，大氣的阻力就會越大，我們不可能克服這種阻力。”他補充說，使用不同的航行技術來提高飛船的近地點和遠地點是可能的，但這不是此次任務的目標。他說：“從物理學的角度來看，這當然是可能的，但這不在我們的近期計劃之內。”

相反，光帆2號將使用它的帆來研究外層大氣的阻力，直到飛船最終返回地球并燃燒殆盡。

與此同時，奈說，除了科學目標，這次任務還實現了其他重要目標。

首先，它的成本大約是NASA等常規太空機構本應負擔的1/20。

當然，如果沒有其他原因，允許控制小組在整個軌道上與飛船交談，而不是僅在它位于幾個跟蹤站之一的上空進行交談，投入的錢當然越多越好。“盡管如此，我們也還是能夠圓滿完成。”奈說。