◎实习记者 都 芃

    如果航天器采用光帆推进，则意味着其不再需要携带大量推进剂，节省出来的重量可以搭载更多科学探测仪器，使航天器的有效载荷大幅提升。同时，依靠光帆推进的航天器，只要在有光照的地方，都可以持续不断前进，“续航里程”大幅提升。

    杨宇光

    国际宇航联空间运输委员会副主席

    大航海时代，凭借装有巨大风帆的帆船，航海家们远渡重洋，将世界连为整体。如今，在人类探索宇宙的征程中，“帆”有望再次成为人们太空远航的秘密武器。

    不久前，发布在预印本网站arXiv.com上的一篇论文显示，美国加州理工学院喷气推进实验室的斯拉瓦·图里舍夫和20多名研究人员共同提议，可将微型卫星与光帆技术结合，创造一种快速、廉价、轻便的太空航行新模式。

    据悉，该项目已获得美国国家航空航天局（NASA）的支持，或许在不久的将来，人们将看到装备有光帆的小卫星在太阳系中自由穿梭。

    微小光压可推动飞船航行

    光帆，这个听起来科幻感十足的装备，其实与地球上使用的风帆有着相似的工作原理。不同的是，风帆使船舶可以借助风力前行，而光帆则依靠太阳光的力量推动宇宙飞船航行。

    众所周知，光具有波粒二象性，以极快的速度运动的光子拥有能量。当飞速前进的光子撞在物体表面时，光子的部分能量便会传递给物体，转化为其前进的动量。

    这种光子对物体表面产生的压力也被称为光压。光压的大小与光的入射角、动量密度以及被照射物体表面的反射系数有关。在光照强度一定的情况下，当光垂直入射并被物体完全反射时，物体表面所承受的光压最大，此时所产生的动量也就最大。

    但由于太阳光的压力极小，太阳光照射在表面面积约200平方米的物体上时，仅能产生约0.1克的压力，因此在地球大气层内，光压产生的推力小到可以忽略不计。但在“空荡荡”的太空中，则是另外一回事了。由于没有空气带来的阻力，即使是光帆产生的这种极其微小的推动力，也能够几乎没有损耗地积累，并不断积少成多，为航天器提供十分可观的推动速度。

    靠“帆”来推动航天器的办法看似简陋原始，但相比如今主要采用的火箭动力，光帆仍有其固有优势。国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光告诉科技日报记者，目前绝大多数的宇宙航行都是以火箭动力作为推进基础，其基本原理都是通过“喷射自身”来产生反作用力推动航天器前行。略有不同的是，化学火箭发动机是通过化学反应燃烧产生大量能量，以高温气体形式喷射并产生动能；电推进火箭发动机则是利用电能将物质电离为高能的带电粒子，继而喷射出去产生动力。

    “无论是化学推进发动机，还是电推进发动机，其本质都是‘喷射自身’，即需要把火箭自身的一部分物质喷射出去来产生反作用力，是不断消耗自身的过程。这就导致推进剂占据了火箭一大部分的重量。”杨宇光表示，如果航天器采用光帆推进，则意味着其不再需要携带大量推进剂，节省出来的重量可以搭载更多科学探测仪器，使航天器的有效载荷大幅提升。同时，受到推进剂容量的限制，采用火箭动力的航天器，其“续航里程”往往存在较大限制。而依靠光帆推进的航天器，只要在有光照的地方，都可以持续不断前进，“续航里程”大幅提升。以上种种优势，都促使着人们不断加深对光帆的探索，这一科学设想也逐渐变为了现实。

    光帆从幻想变为现实

    光帆并非是近些年才提出的新奇想法，最早提出相关概念的时间甚至早于人类第一枚火箭发射上天的时间。1924年，航天先驱齐奥尔科夫斯基和同事灿德尔明确提出，照在很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力能够使物体获得宇宙速度。这被认为是光帆概念的雏形。

    但光帆真正从概念变为现实，则要到21世纪。

    2001年，由美国行星协会投资，俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金科学生产联合体负责建造的人类第一艘光帆飞船“宇宙1号”发射升空，进行亚轨道飞行展开试验。但由于光帆没能与运载火箭的第三子级分离而最终坠毁。

    “宇宙1号”失败后，工程师们花费了3年的时间专门对光帆进行改装和完善，又建造了一艘新的“宇宙1号”。新“宇宙1号”的光帆比旧“宇宙1号”的光帆体积更大，由8个15米长的超薄三角形聚酯薄膜帆组成，总面积达600多平方米，总重量为50千克。可惜的是，2005年新“宇宙1号”的发射同样以失败告终。

    但没过多久，2010年由日本宇宙航空研究开发机构发射的光帆飞船“伊卡洛斯”号发射成功，并且顺利展开，成为人类第一艘成功应用光帆技术的深空探测器。“伊卡洛斯”号的光帆形状为边长约14米的正方形，展开面积约200平方米，但厚度仅有头发丝直径的1/10，这使其拥有极小的重量，并且可以实现大幅度折叠。在火箭发射时，光帆会被折叠起来，收藏在直径约1.6米、高0.8米的圆筒形机体外侧。发射升空后，在距离地球约770万公里的太空中，“伊卡洛斯”号通过旋转机体，释放出安装在四角的坠子，利用离心力，使光帆呈正方形展开。

    除此以外，美国的“光帆二号”以及我国的“天帆一号”等光帆飞船也在近年来陆续成功发射，并顺利完成展开。

    光帆大范围应用面临两大难题

    虽然已有多艘光帆飞船成功上天，但必须清楚的是，目前大多数光帆项目仍然属于试验性质，尚无法真正成为太空航行的主力军。

    杨宇光认为，光帆若想进一步大范围应用，首先需要克服的是控制难题。衡量光帆能否带来有效推进力量的一项重要指标是面质比，即光帆展开面积与航天器重量的比率。“只有这个比率足够大，才能产生有效的加速度，这就意味着光帆的面积绝对不能太小。”杨宇光指出，基于上述原因，光帆所采用的材料通常十分柔软、轻薄，想要对其进行有效控制非常困难。“这是因为物体的转动惯量与其尺寸的平方成正比，当物体的尺寸越大，转动惯量也就越大，控制起来就越困难。”杨宇光解释说。

    他进一步举例，如何控制我国天宫空间站巨大的太阳能帆板，使其不对空间站主体的姿态控制产生影响，已经是一项十分复杂的工程，而如果要精细操控面积更大的光帆，更是一项极具挑战的工作。据悉，“伊卡洛斯”号采用的方法，是利用安装在光帆上的液晶元件，通过部分改变光的发射率来使帆倾斜，从而改变航天器的行进方向。

    除了控制难度大，杨宇光认为，光帆的另一局限在于其探测距离有限。虽然光帆飞船不需要自身携带动力燃料，能够凭借外部力量持续前进，但不能忽视的一点是，光帆发挥作用有一个重要前提——光照。“太阳的光压与航天器和太阳的距离成反比，如果距离太阳过远，光帆受到的光压可能不足以支撑航天器持续前进。”杨宇光表示，想利用光帆飞船冲出太阳系，目前看来还是一个不太现实的幻想。

    他同时指出，光帆目前主要的应用场景还是针对体积重量小、成本低廉的科学探测器，如此次科学家提出的将光帆与微型卫星相结合。一旦航天器重量达到吨级以上，其光帆展开面积可能要达到平方公里级别，仅凭当下技术确实难以实现。