“光帆”2揚(yáng)帆啟航

文/江山

就像古代的水手一樣，星際“冒險(xiǎn)家”有朝一日也許會(huì)在星際揚(yáng)“帆”遠(yuǎn)航，但是星際“水手”利用的不是海上的風(fēng)而是太陽(yáng)光。太陽(yáng)帆利用太陽(yáng)的光壓在太空航行,為人類提供一種新的技術(shù)方案。

“光帆”2任務(wù)成功

2019年7月31日，美國(guó)行星學(xué)會(huì)宣布其6月25日由獵鷹重型火箭從肯尼迪航天中心發(fā)射的“光帆”2小衛(wèi)星已成功驗(yàn)證了利用太陽(yáng)帆來(lái)改變軌道的能力。這顆三體立方星在其32平方米的聚酯薄膜帆面展開(kāi)后的4天里利用帆面上太陽(yáng)光壓產(chǎn)生的推力把軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)升高了1.7公里。

“光帆”2項(xiàng)目耗資700萬(wàn)美元，全部來(lái)自捐贈(zèng)，是美國(guó)行星學(xué)會(huì)精心打造的一個(gè)項(xiàng)目。衛(wèi)星由幾個(gè)合作方共同建造，包括星球探索公司、加州州立理工大學(xué)圣路易斯-奧比斯波分校和佐治亞理工學(xué)院等。“光帆”2由厚度只有4.5微米的聚酯薄膜制成。發(fā)射時(shí)，只有一條面包大小的“光帆”2被裝在更大些的“鄰近”1衛(wèi)星內(nèi)，7月2日由后者投放。

▲“光帆”2科學(xué)測(cè)試

控制人員在7月23日帆面展開(kāi)前對(duì)星上各系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。之后“光帆”2立方星上的電機(jī)開(kāi)始展開(kāi)總面積達(dá)32平方米的4個(gè)三角形帆面。在帆面展開(kāi)過(guò)程中還拍攝了照片。接下來(lái)的一個(gè)月的時(shí)間里“光帆”2繼續(xù)利用帆面抬升衛(wèi)星軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)高度。同時(shí)，衛(wèi)星近地點(diǎn)將會(huì)在大氣阻力作用下下降。控制人員對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行微調(diào)，提高帆面效率。一個(gè)月后，大氣阻力的綜合作用抵消了太陽(yáng)帆產(chǎn)生的推力，這項(xiàng)任務(wù)的升軌任務(wù)部分結(jié)束。在升軌階段結(jié)束后會(huì)開(kāi)展一些其他試驗(yàn)，比如改變帆面朝向，測(cè)定阻力的差異等。“光帆”2會(huì)在約一年內(nèi)離軌。

什么是太陽(yáng)帆

太陽(yáng)帆的概念可以追溯到近一個(gè)世紀(jì)之前。目前太陽(yáng)帆由涂有金屬反射層的聚脂薄膜或聚酰亞胺等輕型材料、支撐結(jié)構(gòu)、展開(kāi)組件等制成。那么太陽(yáng)帆是靠太陽(yáng)風(fēng)航行嗎？答案是否定的。太陽(yáng)帆飛行靠的是光子，當(dāng)光子撞擊到平滑的表面時(shí)，可以產(chǎn)生相應(yīng)的作用力。由于太陽(yáng)光的壓力太小，我們感受不到。在地球上太陽(yáng)光在1平方公里面積的表面產(chǎn)生的推力只有9牛頓。由于這種推力很小，不能推動(dòng)航天器從地面起飛，但在沒(méi)有阻力的太空可以為有足夠大帆面面積的太陽(yáng)帆提供加速度推動(dòng)航天器運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)太陽(yáng)帆正對(duì)太陽(yáng)時(shí)，光子會(huì)推動(dòng)太陽(yáng)帆遠(yuǎn)離太陽(yáng)。太陽(yáng)帆并不只是一味地“勇往直前”，而是可以像帆船一樣，通過(guò)改變方向自由航行，一種方式是通過(guò)改變與太陽(yáng)之間的角度，其他的方法還有改變重心等。太陽(yáng)帆的速度取決于帆本身的大小和重量，面積大的太陽(yáng)帆獲取的太陽(yáng)光多，獲得的動(dòng)量大；對(duì)大小相同的太陽(yáng)帆來(lái)說(shuō)，質(zhì)量越小，加速度越快。加速度還與光源的距離和強(qiáng)度密切相關(guān)，太陽(yáng)帆離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)光越弱，加速度越小。建造大型太陽(yáng)帆還是需要投入相當(dāng)精力和金錢的。通過(guò)一系列試驗(yàn)、測(cè)試，太陽(yáng)帆技術(shù)被突破并被技術(shù)人員掌握后，可能成為一種相對(duì)便宜的推進(jìn)方式。太陽(yáng)光取之不盡用之不竭，太陽(yáng)帆推動(dòng)的航天器可以在不增加攜帶燃料的情況下長(zhǎng)距離飛行，所需的運(yùn)載火箭也可以更小、更便宜。

▲展開(kāi)測(cè)試

▲“光帆”發(fā)射前技術(shù)人員正在測(cè)試

理論上，由于太陽(yáng)帆會(huì)提供持續(xù)加速度，與火箭推動(dòng)的航天器相比，太陽(yáng)帆推動(dòng)的航天器可以更快到達(dá)遙遠(yuǎn)的行星和恒星。然而目前太陽(yáng)帆星際航行技術(shù)還處于研制階段。科學(xué)家們認(rèn)為近期太陽(yáng)帆可用于太陽(yáng)探測(cè)，多個(gè)天體飛越以及對(duì)地球及其他天體定點(diǎn)觀測(cè)等。太陽(yáng)帆還可為受很多新興航天國(guó)家、小公司、大學(xué)等青睞的小型、低成本立方星提供動(dòng)力，使立方星在不攜帶燃料的情況下在太空實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)。另外，人類進(jìn)入太空時(shí)代以來(lái)，太空垃圾成為人類面臨的一大難題。如果不采取離軌措施，有的廢棄航天器將長(zhǎng)期在太空“游蕩”，占據(jù)寶貴的太空資源并可能碰撞現(xiàn)役航天器，影響其功能甚至使其失效；如果與載人航天器相撞還可能危及航天員的性命。中國(guó)科學(xué)家正在嘗試在700公里以下的近地軌道小衛(wèi)星上裝配薄膜離軌帆，在衛(wèi)星壽命末期在軌展開(kāi)，以增大氣動(dòng)阻尼方式實(shí)現(xiàn)其被動(dòng)離軌。

▲“光帆”2展開(kāi)

▲“光帆”1在廠房

▲美國(guó)宇航局的近地小行星偵察兵

美日的陽(yáng)光沖浪

美國(guó)行星學(xué)會(huì)一直熱衷于太陽(yáng)帆技術(shù)，40年前就曾呼吁美國(guó)宇航局采用大型太陽(yáng)帆對(duì)哈雷彗星開(kāi)展探測(cè)。“光帆”2任務(wù)的成功是行星學(xué)會(huì)多年努力的結(jié)果。該機(jī)構(gòu)曾研制了名為“宇宙”1的一顆衛(wèi)星來(lái)試驗(yàn)太陽(yáng)帆技術(shù)，但該星2005年由俄羅斯“波浪”火箭發(fā)射時(shí)因發(fā)射失敗而未能入軌。2015年發(fā)射的“光帆”1開(kāi)展了帆面展開(kāi)試驗(yàn)，但因所在軌道過(guò)低而無(wú)法讓帆面產(chǎn)生足以克服大氣阻力的推力。

2004年8月，日本宇宙科學(xué)研究所（現(xiàn)為日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的一部分）利用探空火箭部署了兩個(gè)原型太陽(yáng)帆，對(duì)展開(kāi)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了測(cè)試，但未涉及推進(jìn)部分。2010年5月，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)射的“伊卡洛斯”探測(cè)器首次成功驗(yàn)證了太陽(yáng)帆推進(jìn)。在展開(kāi)的帆面，驗(yàn)證薄膜帆面能夠通過(guò)采集太陽(yáng)光光子的動(dòng)量來(lái)推動(dòng)飛行器前行。“伊卡洛斯”帆面厚度為7.5微米。該項(xiàng)目曾在2017年獲得國(guó)際宇航科學(xué)院的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)，表彰其在利用新技術(shù)開(kāi)展太空探索方面的貢獻(xiàn)。美國(guó)宇航局也曾在2010年發(fā)射了一個(gè)小型太陽(yáng)帆立方星，名為“納帆”。

到目前為止，世界上最大的太陽(yáng)帆是日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的“伊卡洛斯”，其面積為196平方米。但面積大小并不意味著一切。“光帆”2的面積為32平方米，其加速度卻差不多是“伊卡洛斯”的10倍。這是因?yàn)椤肮夥?比“伊卡洛斯”更小、更輕，太陽(yáng)帆需驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量小。

行星學(xué)會(huì)沒(méi)有開(kāi)展“光帆”3任務(wù)的計(jì)劃，但準(zhǔn)備舉辦一項(xiàng)國(guó)際賽事，征集新項(xiàng)目思路，支持太陽(yáng)系探測(cè)等方面的工作。美國(guó)其他一些機(jī)構(gòu)已有太陽(yáng)帆使用方面的計(jì)劃。美國(guó)宇航局的“近地小行星偵察兵”是一項(xiàng)六體立方星任務(wù)，將會(huì)在“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭首飛時(shí)搭載發(fā)射。該衛(wèi)星將利用太陽(yáng)帆來(lái)飛越探測(cè)一顆近地小行星。行星學(xué)會(huì)同美國(guó)宇航局簽有協(xié)議，涉及太陽(yáng)帆技術(shù)數(shù)據(jù)互換。

雖然太陽(yáng)帆技術(shù)目前只處于嘗試和試驗(yàn)階段，但人類探索未知和創(chuàng)新的腳步永遠(yuǎn)不會(huì)停歇。太陽(yáng)帆技術(shù)被人類突破并掌握后，其應(yīng)用前景十分廣泛，包括可以用來(lái)探測(cè)太陽(yáng)系或更遠(yuǎn)的宇宙，為立方星等小衛(wèi)星提供在軌機(jī)動(dòng)動(dòng)力，還可能成為太空垃圾的清道夫等。