扬起“光帆”去远航

美国定于2016年发射由光压动力驱动的太阳帆船

作者： 闫洁

2014年07月31日 来源： 中国科学报 

　　正如帆船利用风压在水中前进，太阳帆船利用太阳辐射产生的光压在太空中前行。自从亚瑟·克拉克等科幻作家提出这个概念，太阳帆船正在逐渐变为现实。目前，一项耗资450万美元、旨在测试太阳帆船技术的私人资助项目——“光帆”，已将太阳帆船的发射日期确定在2016年4月，其将搭载SpaceX公司的“猎鹰”重型火箭开启一段太空之旅。而一旦在轨运行，“光帆一号”将利用太阳光而非火箭燃料操控系统。“很多年来，太阳帆船一直以缓慢的速度发展。”来自非营利性组织行星协会的“光帆”项目负责人Doug Stetson表示，这些年该项目之所以坚持下来，是因为其有望开发利用整个太阳系几近免费的推动力。Stetson正在组织和资助该项目。

　　“光帆一号”是一艘由3个10厘米宽的立方体卫星组成的小型太空飞船。在被送入中地球轨道后，距地球2000公里的高度已足够使其逃脱大部分空气阻力。同时，“光帆一号”将展开4个超薄聚酯薄膜帆，其展开面积可达32平方米，而这或许足以让裸眼观察者从地面看见它。这些太阳帆将完全“沐浴”在太阳光中，每一个影响它们的轻子或光子都会给予其一点微小的动力。加在一起后，这些很小的动力便能在无需沉重而昂贵的化学推进剂的情况下使太空飞船前进。如果“光帆”的轨道速度在展开太阳帆后能够增加，工程师们将会知道它开始工作了。

　　从理论上讲，太阳帆船技术应该可以强大到将一艘太空飞船推出地球轨道，送入太阳系。“这样做的一个缺点是需要的时间太长，就像乘着帆船去巴哈马群岛总要比驾驶快艇花费的时间多一样。”Stetson介绍说。不过，在地球大气层之外的太空已没有阻挡它的摩擦力。因此，一旦太阳帆船启动，只要太阳光不停地照射，它便会一直加速。这使得太阳帆船成为探索整个太阳系及更远太空的一个诱人选择。很多专家表示，它们是推动实现飞往另一星系的第一代星际飞行任务最有可能的“候选者”。同时，除了太阳光，驻扎在太阳附近轨道、以帆船为目标的激光器可以提供额外的推力。不过，该方法存在的一个缺点是一旦启动，太阳帆船并没有刹车系统，也无法变轨或者减慢速度。一个可能的解决方案是利用某一行星或恒星的重力使飞船降低速度或使其沿着一个期望的路径加速。

　　不过，这些想法已超出“光帆一号”的考虑范围。该项目只是想证明基本技术是可行的，尤其是对于操控诸如立方体卫星的轻量级、低成本太空飞船而言。尽管它们的体积很小，但依旧可以装载足够的仪器满足基本的科研、导航和通讯需求。“我们非常希望利用立方体卫星和太阳帆船的概念能够流行起来。”Stetson表示，对于太阳系探索任务来说，这将会产生一个全新的领域，因为它的成本会非常低。

　　“光帆一号”会搭载在一个私人资助的火箭上，即由商业航天公司SpaceX研发的“猎鹰”重型火箭。该公司的“猎鹰9号”小型火箭已经建立起可靠的跟踪记录。不过，其重型版是否强大到足以在近地轨道之外飞行还有待验证。太阳帆船需要非常大的初始推力，否则近地轨道的大气阻力将使其难以操作。

　　“光帆一号”并不是最早的太阳帆船项目。行星协会曾在2005年试图发射一艘被称为“宇宙一号”的太阳帆船，但火箭发射失败使该项目中途夭折。2010年，日本成功试飞IKAROS太阳帆船，一同发射的还有以金星为目的地的太空飞船，这其中便利用了太阳帆船作为推进力的主要来源。同年晚些时候，美国宇航局发射“纳米帆-D”卫星，其在近地轨道展开一个小帆。尽管所在高度较低，但该卫星成功地展开太阳帆，虽然它并不用来飞行。美国宇航局还在部署一项更大的、被称为Sunjammer的太阳帆船项目，其原定于2015年发射。不过，在最近的技术评审之后，美国宇航局无限期地推迟了该项目。尽管如此，“光帆一号”仍旧值得关注，因为如果发射成功，它将成为利用立方体卫星发展可控太阳帆船技术的首个成功案例。

　　目前，美国宇航局还有另外两个正在开展的太阳帆船项目，都是利用了立方体卫星。“月球手电筒”项目旨在探寻月球陨石坑中的冰层，而“近地小行星侦察”计划将探访太空岩石，看其是否有可能成为稍后一项人类探索任务的理想目的地。两者均计划伴随美国宇航局于2017年首次发射的重型运载火箭“太空发射系统”试飞。如果发射成功，它们将跻身首批主要目标是科研而非简单技术展示的太阳帆船项目。“还没有人建造出能像这两者一样完成复杂任务的太阳帆船。”美国宇航局喷气推进实验室部门助理Robert Staehle表示，这两项任务部分是为了使太阳帆船技术更加成熟，但NASA的主要目的是利用太阳帆船在某一特定轨道上搭建用于科研的有效载荷。

　　如果“光帆一号”获得成功，它将为这些任务的实现铺平道路。“在我迄今为止所看到的技术中，‘光帆一号’是体积与质量最高效的。”Staehle表示，“光帆一号”正在做的便是将所有东西装入一个更小的“包裹”中，使其不再昂贵。“我认为，从某种程度上这也会减少美国宇航局开展‘月球手电筒’和‘近地小行星侦察’计划所担心的风险。”