以下内容来源于《天文爱好者》杂志2010年10期(作者庞统,责任编辑李良)。
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2010年5月21曰,日本用H-2A火箭成功发射了耗资15亿曰元(合1600万美元)的“伊卡洛斯”太阳帆,以检验它是否能够利用太阳能实现加速飞行,从而拉开了研制和发射太阳帆式新型推进航天器高潮的序幕。2010年9月和年底,美国还将先后发射纳帆-D2和光帆-1太阳帆。

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奇妙概念的出现

自从1957年10月4日前苏联发射第一颗人造卫星,标志着航天时代到来以后,每个被发射上天的航天器都自身携带着化学燃料、电能或核燃料。然而近些年,一些航天科学家一直在研究如何利用比风更可靠、更自由的太阳光粒子,使其成为探测器的动力。

实际上,太阳帆概念很早就产生了。第一个现代意义上的太阳帆概念产生于19世纪法国著名科幻小说家朱尔斯·凡尔纳的小说《从地球到月球》(1865年)中,朱尔斯·凡尔纳的思想无疑为苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作奠定了基础。19世纪70年代,麦克斯韦发现 光是由非常小的粒子(即我们现在所称的“光子”)构成的能量包组成。由太阳产生的光子会以约3 X 105千米/秒的速度大量地向太空中扩散,以这个速度,一个光子在1秒内可以绕地球赤道飞7次。光子对任何物体都会产生作用力,向物体撞击并反弹出去。尽管这种碰撞产生的能量非常小,但是由于太阳发出的光子的数量是相当大的,因此,最终这些光子能推动像太阳帆那样的物体前进。

20世纪20年代,俄国科学家首先开始了关于把太阳帆用于行星际航行的研究,还为此著书立说。20世纪五六十年代,在新一代科学家、工程师及科幻小说家的努力下,这种思想重新复苏,1964年科幻小说家阿瑟·克拉克出版了著名小说 《来自太阳的风》,讲述了一艘国际载人太阳帆飞往月球的故事。而在这时,美国航空航天局开始认真考虑太阳帆概念,并着手进行了一些研究。

宇宙中的“永动机”

太阳帆是一种没有携带发动机、以太阳光作动力的航天器。传统的航天器是由其内部能量燃烧所产生的冲力来推动的,而太阳帆仅仅由被其巨大的、像镜子 一样的帆反射的光子来推动。太阳帆并不是靠太阳风飞行。太阳风由被太阳抛出的离子组成,这些离子的运动速度比光速慢得多。虽然太阳风也可能会将力传递给太阳帆,然而从太阳风 那里得到的动力还不足光压(光压就是由太阳光传递给太阳帆的力)的1/100。

IKAROS-帆面示意图.jpg对于一个行星际太阳帆来说,其速度的大小将依赖于它被光压推动的时间的长短。太阳帆在其飞行的最初阶段速度相当慢,如果以这种速度飞行,可能要花1年时间才能到达月球, 当年“阿波罗”载人登月飞船使用常规推力只需3天就到达了月球。但是太阳帆的真正优势在于,它不像化学火箭那样,推力只能持续短暂的时间,太阳光对太阳帆的推动是一直持续下去的。从理论上来说 行星际太阳帆在其飞行100天后,它的速度能达到约1.6×104千米/小时,1年后能达到约5.8×104千米/小时。只要3年时间,太阳帆的速度就能达到约1.6×105千米/小 时。按照这样的速度,太阳帆不出5年就能到达冥王星。而相比较而言,美国探测冥王星的“新视野线”探测器使用化学推进器及从木星那里得到引力辅助,计划要用9 年时间才能到达目的地。

为了能使太阳光提供足光压,太阳帆必须尽可能多地捕捉到太阳光,这就意味着帆的表面积必须很大, 在20世纪70年代美国探测“哈雷”彗星的太阳帆 计划(后来取消)中,帆的面积设计为600000平方米, 大约有纽约市的10个街区大。即使是这么大的表面积,太阳帆相对于传统航天器来说,也是加速非常慢的。但是,由于火箭释放弃有效载荷并以恒定的速度飞完它的航程之前,火箭仅仅燃烧几分钟,而太阳帆会不断地加速,所以最终比其他探测器更快。

在既定的时间内,通过小而持续的加速,太阳帆能够达到任何想要的速度。如果由于离太阳越来越远而使其加速度变小的 话,一些科学家提议用激光推动其前进,虽然这一想法在目前的技术和资源条件下还无法成为现实。但是如果在未来的某一天,太阳帆要带着人类飞往其他恒星星系,就得用激光,因为一旦飞 出木星轨道,太阳光压就会非常弱。人类第一个星际探测器可能就是带着巨大的帆、利用激光飞出太阳系的;或许第一批天外来客也会以类似的方式来到地球。

失败是成功之母

资料:宇宙1号艺术图.jpg近年来,日本和美国已多次在太空进行太阳帆试验,虽然日 本进行的几次小型太阳帆试验获得了成功,但影响最大的美国 宇宙1号大型太阳帆试验却因运载火箭故障而遭到了失败。尽管如此,宇宙1号的实施方案还是很有参考价值的。

2004年8月9曰,曰本宇宙研究开发机构在鹿儿岛发射了—枚5310小型火箭,火箭在太空中旋转飞行时成功地打开了2个不同形状、直径为10米的太阳帆(采用耐热和抗辐射的聚酯亚胺薄膜,厚度只有0.0075毫米),目的是进行太阳帆的展开试验,但没有进行利用太阳帆产生推进力的试验。试验中,当火箭旋转上升到150千米以上高度后,先打开了由4片聚酯亚胺薄膜组成的三叶草形太阳帆;在飞到最高高度170千米时,三叶草形太阳帆与火箭分离。此后火箭又打开由六片扇形聚酯亚胺薄膜组成的太阳帆。大约在火箭升空6分40秒后,这两个太 阳帆都坠落在内之浦东面的海面。日本这次成功 打开了无骨架太阳帆在世界上尚属首次。2006年2月和9月,日本又分别搭载发射了太阳帆次级有效载荷卫星1号、2号,其展开的薄膜直径为15米。2006年8月,日本还用高空气球 成功展开了直径为20米的四角形太阳帆。由此可见,日本在太阳帆领域已经打下了很好的技术基础。

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2005年6月21日,世界上第一个大型太阳帆一—“宇宙1号”由前苏联遗留下来的SS-N-18型洲际弹道导弹(核弹头已被拆卸)改装而成的“波浪号”火箭从水下潜艇发射升空。该太阳帆由美国行星学会投资,俄罗斯负责建造,该设计方案听起来很美:“宇宙1号”进入绕地轨道以后,打开8个如风车叶片的三角形帆,绕地飞行至少一个月。“宇宙1号”的质量大约100千克, 帆叶的长度为15米,由镀铝的增强型聚酯薄膜做成,仅5微米厚,大约相当于塑料垃圾袋厚度的1/4。这些帆叶以航 天器的主体为中心环绕排列,当“宇宙1号”进入轨道后它们能被充气管展开,展开后的形状像花瓣一样,总面积达600平方米,相当于一个篮球场面积的1.5倍。当“宇宙1号”在环绕地球的轨 道上运行时,它的巨大帆能调整角度,像直升机的旋翼一样旋转,以便反射不同方向上的太阳光。“宇宙1号”的控制算法事先 被编入其携带的计算机中,能够通过地面发出的指令对其进行操作。如果地面控制人员不想让太阳光推动“宇宙1号”,就可旋转太阳帆的叶片,让它的刀口对准太阳,这样就不会产生推力了;而当“宇宙1号”需要推力时,控制人员可把帆的角度旋转回去。“宇宙1号”的主要有效载荷包括成像仪和加速计。当它展开巨大的帆时,成像仪会对其成像,同时还要对地球拍照;而加速计则用于测量“宇宙1号”是怎样逐渐加速的。

宇宙1号发射模拟图.jpg其实,早在2001年7月20曰就曾进行过“宇宙1号”的亚轨道飞行试验,但因发射“宇宙1号”的“波浪号”火箭所携带的计算机没有发出指令使火箭的第3级分离,使“宇宙1号”的帆无法展幵,最后它与火箭的第3级一起在堪察加半岛上空坠落。 而这次又是由于“波浪号”运载火箭第一级出现故障导致“宇宙1号”发射失败。此后的2008年8月3曰,美国在用“猎鹰1号”火箭发射纳帆-D1太阳帆时也因火箭故障而失败,纳帆-D1 的质量为4.5千克,由铝与塑料制成,太阳帆展开后是由四个三角形组成的正方形,边长约3米,总面积约为9.3平方米。

美丽的星际风筝

上述失败使人类获取了大量有关太阳帆的经验和教训,最 后终于在最近苦尽甜来,2010年5月21日发射的曰本“伊卡洛斯”太阳帆已获得初步成功。

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“伊卡洛斯”是世界第一个使用太阳帆技术的深空探测器,因为过去进行的试验只在地球周围轨道展开太阳帆。“伊卡洛斯”的任务有四:一是展开帆面,验证展开机构和程序,收集展开状态数据;二是研究帆面的反射系数,验证光子推进技术;三是用所携带薄膜太阳电池发电,验证薄膜太阳电池发电效率;四是验证太阳帆推进的制导、导航与控制技术。此次试验如获最终成功,则能改写人类航天动力的历史,使深宇宙探测成为可能, 也标志着“宇宙大航海时代”的真正来临。

“伊卡洛斯”是一个高1米、直径长1.6米的筒状小型航天器,采用直升机式构型。它在太空释放后,卷在航天器上的超薄膜太阳帆通过转动圆柱形机体(转速为25转/分)所产生的离心力徐徐展开,并形成边长14米、对角线距离为20米、厚度仅0.0075毫米的正方形帆面。帆面上面还嵌有一些25微米厚的硅薄膜太阳电池,它们占总帆面面积约5%,预计产生500瓦电能。这些电能除用于验证薄膜太阳能电池的功能外,还为所携带的设备供电。“伊卡洛斯”的总质量为315千克,其中帆面的质量为15千克。它现在正依靠太阳光子的推动力飞往金星。执行任务期间“伊卡洛斯”采用自旋稳定方式,自旋速度约20转/分。

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其超薄膜太阳帆的展幵分两个阶段进行:6月8曰完成了第一阶段展开,此时展开成“十”字形,对角线跨度15米。之后, 继续进行第二阶段展幵,于6月10日完成了整个太阳帆帆面的展幵,展开后对角线跨度为20米。日本宇宙航空研究开发机构6月10曰称,在距地球约770万千米的太空,通过旋转机体所产生的离心力,“伊卡洛斯”已成功展开了折叠收藏在机体外侧的超薄膜太阳帆,帆面展开后通过系绳与主体相连。6月15日,从太阳帆中心机体分离出去的相机也拍下这一图像并传回了地球。该相机呈圆筒形,直径和高都约为6厘米,它一边远离机体,一边拍摄图像,并用无线电传送给机体,相机将不再回收。 “伊卡洛斯”的超薄膜太阳帆的成功展开,标志着该试验已经成功一半。剩下的一半,就是在由太阳光所产生的光压作用下,“伊卡洛斯”将在半年的时间内飞向8巨离地球约800万千米的金星。

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依靠太阳辐射加速的日本“伊卡洛斯”携带了超薄膜太阳帆,该薄膜柔软富有弹性,由厚度只有头发直径 1/10的聚酰亚胺制成,重量仅为一枚硬币的1/5,可自由调节光反射,用于加速、减速及改变太阳帆方向。在接近金星之前的约半年中将反复进行太阳帆试验,为将来开发深空探测器积累经验。此外,由于“伊卡洛斯”还携带有太阳能电池,以便进入太阳系内更远的区域时提高效率,因此它是一个拥有太阳光压和压力的混合动力航天器。

如果本次试验成功,日本还将在近年进行第两次试验,届时将使用直径50米的中型太阳帆,同时还要结合离子推进发动机,即在世界上首次实现光子/离子混合推进,发射的目的地是木星和特洛伊型小行星。为此,日本正研究大型薄膜结构及其展开、光子和超高性能离子发动机混合推进、薄膜太阳能电池等新技术。

下一步目标:木星合小行星.jpg

虽然经历过“宇宙1号”太阳帆的失败,但美国行星学会对研制太阳帆仍自信满满。该学会主席弗里德曼说,即使太阳帆只在一小段轨道上受控制,但只要有现象显示它是以太阳能为动力,就能证明发射成功。2009年11月9日,美国行星学会宣布, 2010年可能是太阳帆辉煌之年,全球至少发射两个太阳帆并演示验证太阳光压在太空产生推动力的创新应用。美国行星学会将在2010年底发射“光帆1号”太阳帆,它是在美国航空航天局提出的“纳帆”概念基础上研制的一种新型太阳帆(美国航空航天局将在2010年9月发射“钠帆-D2”)。“光帆1号”是在美国加州理工大学提供的“立方卫星”平台上建造而成,在距地表800千米的地球轨道上飞行,展开之前的形状类似和一个长条面包,重约5千克。它由两个舱组成,其中两个用于储存电子和控制设备,另外一个用于携带折叠的太阳帆。其太阳帆采用一种酯薄膜制成,厚度为普通垃圾袋的1/4左右,约4.6微米,展开后是一个边长5.5米、由4个三角形组成的正方形,面积约32平方米,能产生5.7×10-5m/s2的加速度。美国行星学还将研制比“光帆1号”飞得更高、更远的“光帆2号”和用于太阳气候监测的“光帆3号”。

IKAROS-反射太阳光.jpg虽然至今人们仍然没有成功在空间部署以太阳帆为主要推进方式的航天器,但各国对这一领域的研究和探索仍在继续,2010年就是太阳帆技术发展的重要一年。长期以来,人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖,找到新的动力方式,实现人类遨游太空的梦想,而利用太阳能来进行太空航行的太阳帆推进航天器代表了人类未来太空飞行的技术,它将为开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步。可以相信,人类未来完全可以利用太阳帆从 事深空探索,并给人类的太空旅行带来一场新的革命。

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