帆的太空时代

张唯诚

人类曾有过漫长的用帆时代，那鼓胀的风帆曾在工业革命前为人类的发展和文明的进步发挥过重要作用，但后来它们被使用燃料的引擎所取代。然而在太空中，事情很有可能完全颠倒过来，携带燃料的引擎难以带领我们进行长距离的太空旅行，而帆则有希望做到这一点：以太阳光帆为动力的航天器很有可能在太空中实现帆的复活，开辟帆的太空时代。

2019年6月24日，一艘名为“光帆2号”的航天器被SpaceX的重型猎鹰火箭搭载升空。升空一个多小时后，重型猎鹰火箭释放了一个名为Prox 1的立方体卫星，而“光帆二号”航天器就依附在这颗卫星上。一周后，Prox 1卫星释放了“光帆二号”航天器，使其进入预定轨道，并展开了一面32平方米的太阳帆。至此，实验获得圆满成功。

“光帆二号”并不是一次孤立的太空实验，它是“光帆一号”的升级版。2015年5月，“光帆一号”航天器由宇宙神5型运载火箭发射升空。入轨后，“光帆一号”航天器展开了一个由聚酯薄膜制成的太阳帆，它的厚度仅有4.6微米。然而，两天后“光帆一号”航天器出现故障，处于失联状态。幸运的是，8天后它又与地面恢复了联系。最终，这艘光帆太空船在预定轨道上飞行了25天。

与“光帆一号”航天器相比，“光帆二号”航天器做出了一些新的改进。例如，它的轨道更高，并且携带了动量轮。动量轮可以让太阳帆翻转，从而控制太阳帆与阳光之间的夹角，让帆面与阳光垂直，这有利于更好地控制探测器和提升飞行轨道。

光帆与光压

一直以来，太空任务主要依赖以化学燃料为动力的太空引擎，它有一个突出的缺点，那就是难以实现长途旅行。因为化学燃料不管携带多少，它也不可能用之不竭。为此，人们一直在寻找解决问题的方法，例如使用核能和太阳能等，但相较而言，光帆更加诱人，它很有效率，很清洁，也很安全。

太阳光能为太阳帆提供推力吗？答案是肯定的。17世纪，法国数学家皮埃尔·伽森荻在他的一本书中谈到了他对于光的看法，他认为光是由大量坚硬的粒子组成的。现代的光子理论认为，光能为物体提供光压。光压之所以存在是因为光是由大量光子组成的，光子也是一种粒子，每个光子都具有能量和动量，能与物质发生相互作用，而光压就是光子把它的动量传给物体的结果。这表明，光是可以提供推力的，只是这种推力在单位面积上十分有限，所以要获得足够的推力，太阳光帆必须做得很大，而且表面要十分光滑平整，加之在宇宙中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力就可以使它加速。这样的加速会一直持续下去，最终达到相当快的速度。

正因为如此，美国行星协会一直致力于研发太阳光帆，长期倡导发展太阳帆技术。他们的基本观点是：太阳光帆不携带燃料，却能获得用之不竭的飞行能源，在长距离的太空旅行中具备明显优势。因此，在未来的星际旅行中，太阳光帆是前往其他星球最合理的航天器。

伊卡洛斯號

宇宙一号

宇宙一号

美国行星协会主席路易斯·弗里德曼为实现太阳帆的太空飞行进行了不懈的努力。20世纪70年代，弗里德曼在美国宇航局喷气推进实验室工作，当时他就提出发射一艘以太阳光帆为推进器的航天器去会合将于1986年靠近地球的哈雷彗星。那时设计的太阳光帆达60万平方米，其面积之大令人咋舌，显然技术上存在难度。

此后，弗里德曼与他人一起组建了美国行星协会，并与俄罗斯航天科学家们建立了合作伙伴关系。他们共同工作，立志要把人类的第一艘太阳帆飞船送上太空。2001年7月20日，人类的首个太阳光帆飞船“宇宙一号”从一艘俄罗斯核潜艇上发射升空，然而飞船未能和火箭分离，最后折翼大海。此后，弗里德曼与他的团队又重新建造新的光帆，名字仍为“宇宙一号”。2005年，新建成的“宇宙一号”航天器再次发射，但依然没有成功。

“宇宙一号”航天器有8个三角形帆面，每个帆面的长度为15米，展开后的总面积接近600平方米，相当于一个半篮球场的面积。这些帆环绕于飞船主体的周围。按照计划，它们将在进入轨道后像花瓣一样地展开，然后推动“宇宙一号”航天器在地球轨道上飞行一个多月，以验证这种航天器能否在光子的推动下实现正常飞行。

帆在太空复活

虽然“宇宙一号”航天器发射失败，但是科学家对太阳光帆的研究并没有停止。世界各地的科学家仍在致力于太阳光帆的研究和实验，包括欧洲空间局、美国宇航局和日本空间局等。美国宇航局曾于2008年7月底发射了一艘名为“纳米飞行-D”的太阳光帆飞船，这是一艘小型的太阳光帆飞船，其主体结构的长度为30厘米，整个飞船的重量不足5千克，帆面为加了铝外层的聚合材料，厚度相当于普通的纸张，这艘太阳光帆飞船包括4个小型太阳帆板，整张帆打开后大约有10平方米。然而，由于火箭发射失败，这次尝试仍旧没有成功。

2010年5月，日本科学家发射了一艘名为“伊卡洛斯”的光帆航天器，其光帆呈菱形，直径为20米。在一个月的时间内，它仅仅依靠阳光作用于帆上的力量将时速降低了38千米，这是一次前所未有的成功。它预示着：光帆，这种此前只得到理论证明的太空“推进器”终于产生了实际的效用。接下来的“光帆一号”和“光帆二号”实验也是在吸收了此前的经验和教训的基础上进行的进一步探索。

根据美国行星协会的计划，“光帆二号”的后续实验还有“光帆三号”。另外，科学家们还计划在适当的时候发射“宇宙二号”航天器，它更加先进，各项指标都将超过“宇宙一号”。而日本也计划进一步扩大光帆的面积，并用新一代光帆航天器探测木星。可以看出，现阶段的实验多为一些技术性的测试，其目的是为未来真正的光帆航天打好基础、积累经验和收集数据。

可以预见，在未来，人类古老而伟大的发明——帆，将在太空中复活并写下人类航天史的新篇章。