光帆之路

编译 邢鸿飞

成功部署太阳帆，让40载梦想成真。

光帆2号在部署运行期间，下加利福尼亚半岛和墨西哥在其身后的背景中清晰可见。它的双185度鱼眼照相机镜头可以捕捉到大半个帆的范围

一家小型非营利组织实现了40多年来的太空旅行壮举梦想：证明了只用太阳光驱动航天器在地球轨道上运行是可能的。

2019年6月，在109个国家拥有5万名会员的行星协会（Planetary Society）用SpaceX的猎鹰重型火箭将一枚5公斤重的宇宙飞船送入轨道，该火箭计划为美国空军搭载24艘宇宙飞船。

被称为“光帆2号”的宇宙飞船被送入距地球约720公里的轨道。

经过初步测试，飞船部署了一个拳击场地大小的反射聚酯薄膜，从那时起，它就在阳光的压力下“航行”。

早在1977年，行星协会的创始人，天文学家卡尔·萨根就提倡用光帆作为宇宙飞船的推进器。

它们的工作原理是组成光的光子即使没有质量，也有动量，能对光线照射到的任何物体施加温和的压力。通过用镜子反射光线，这种压力可以增加1倍，这就是为什么光帆2号的船帆使用了一层银色薄膜。

萨根的梦想是用一个大的光帆推动一艘宇宙飞船。

行星协会的首席执行官、科学教育家比尔·奈（Bill Nye）说：“早在20世纪70年代，当时的提议是在哈雷彗星(上一次哈雷接近太阳是在1986年)的一侧安装一个1公里长的太阳帆，以追逐彗星。”

由于预算问题和有人认为想法不切实际，这个提议很快被放弃。然而，被称为立方体卫星的小型航天器的开发重新唤起了人们的兴趣。立方体卫星是由10厘米×10厘米×11.35厘米的小块组件构成。(光帆2号由其中的三个方块组成)。

它们不仅发射成本低廉，而且质量小，非常适合轻装航行。不像萨根的彗星追逐者计划那样需要100万平方米的光帆，光帆2号只需要32平方米的帆。

这艘飞船体积小，操作起来非常容易。这一点很重要，因为它的运行需要光帆在环绕地球旋转时迅速改变方向，就像一艘帆船随不断变化的风向转向。

该项目的首席科学家兼项目经理布鲁斯·贝茨（Bruce Betts）说，实际效果非常显著。在部署太阳能帆后的8天里，飞船将轨道的远地点(离地球最远的点)提升了1.7公里。

印第安纳州普渡大学航空航天学副教授、项目经理大卫·斯宾塞（David Spencer）在新闻发布会上说：“3天前，我们得到的最大变化是在900米多一点。”

光帆2号的设计目的是测试对光帆的操控能力。“这一直是一个示范任务。”行星学会的首席运营官詹妮弗·沃恩（Jennifer Vaughan）表示。

而它的成功具有重要的应用意义。美国宇航局（NASA）有一个六立方卫星近地小行星（NEA）任务，名为NEA Scout，计划在2020年的某个时候发射，也将使用光帆推进。

斯宾塞说：“我们已经就技术和研究成果分享达成了协议。我们真的很期待他们把太阳能航行技术提升到更高的水平。”

美国宇航局设在亚拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心的首席研究员莱斯·约翰逊（Les Johnson）对此表示赞同。

他在光帆2号发射前告诉Cosmos：“我们都是太阳能舵手，想要达到同样的目标。”

这可能只是一个开始。光帆不需要燃料，因此永远不会耗尽动力；它们是完成长期任务的理想选择，尤其是有些任务可能需要航天器进行大量低加速操纵。

奈指出，例如，光帆可以用来定位地球和太阳之间的宇宙飞船，在那里，宇宙飞船可以提供多达4到6小时的预警，警告我们前方可能出现的太阳辐射爆发的危险。或者，这样的宇宙飞船可以向外寻找之前未知的可能对地球构成威胁的小行星。

奈还说：“太阳帆非常适合在更接近太阳的轨道而非地球轨道上定位，保持自己的位置。”

光帆还可以用来将航天器固定在不稳定的轨道上，比如将卫星永久置于地球两极的轨道上，或者，它们可以用于多个小行星（太阳系外甚至是其他恒星）的长期任务。

奈表示，如果是普通的宇宙飞船，燃料最终会耗尽。这种燃料永远不会耗尽。

此时，光帆2号的任务并没有结束。斯宾塞说：“我们仍在努力改进航行控制。”他说，短期目标是继续提高宇宙飞船的远地点。但这种做法的副作用是降低了宇宙飞船的近地点（距离地球最近的地方）。而且，即使它在地球表面上方700公里处，我们星球上稀薄的外逸层也有足够的空间对如此轻的宇宙飞船施加阻力。斯宾塞说：“近地点越低，大气的阻力就会越大，我们不可能克服这种阻力。”他补充说，使用不同的航行技术来提高飞船的近地点和远地点是可能的，但这不是此次任务的目标。他说：“从物理学的角度来看，这当然是可能的，但这不在我们的近期计划之内。”

相反，光帆2号将使用它的帆来研究外层大气的阻力，直到飞船最终返回地球并燃烧殆尽。

与此同时，奈说，除了科学目标，这次任务还实现了其他重要目标。

首先，它的成本大约是NASA等常规太空机构本应负担的1/20。

当然，如果没有其他原因，允许控制小组在整个轨道上与飞船交谈，而不是仅在它位于几个跟踪站之一的上空进行交谈，投入的钱当然越多越好。“尽管如此，我们也还是能够圆满完成。”奈说。