太陽帆航天器

太陽光實質上是電磁波輻射，主要是由可見光和少量的紅外光、紫外光組成。光具有波粒二象性，光對被照射物體所施的壓力稱為光壓。光壓的存在説明電磁波具有動量。?

在太空中，遠離了大氣，又不存在影響光壓的介質，太陽帆上每平方米獲得的光壓是0.48×10-6噸。宇宙1號的太陽帆面積為530.93平方米，由光壓獲得的推力為255克。?

如果太陽帆的直徑增至300米，其面積則為70686平方米，由光壓獲得的推力即為0.034噸。根據理論計算，這一推力可使重約0.5噸的航天器在200多天內飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000米，則它獲得的1.5噸的推力，能把重約5噸的航天器送到太陽系以外。由於來自太陽的光線提供了無盡的能源，攜有大量太陽帆的航天器可以每小時24萬公里的速度前進。這個速度要比以火箭推進的航天器快4～6倍。?

為什麼推力小於航天器的重量仍能推動後者加速運動呢?因為在太空中運行的航天器處於失重狀態，無空氣阻力，只要加少許力的作用，就會改變運動方向和速度大小。如發射靜止軌道衞星時，衞星先進入大橢圓地球同步轉移軌道，待其運行到赤道上空3.6萬公里的高度時，遙控指令啓動星上遠地點發動機工作，後者產生的推力僅為幾十公斤，卻能使幾噸重的衞星移入靜止軌道併到達預定位置。原因就是後加的推力使衞星產生新速度，與原來的運動速度合成之後形成最終速度。遠地點發動機完成任務後即關機，只有當衞星偏離預定位置時才再次點火，使其重新歸位。太陽帆一直接受光壓的作用，不僅能改變宇宙1號的運行軌道，而且能使其不斷加速飛行。?

著名天文學家開普勒在400年前就曾設想不攜帶任何能源，僅僅依靠太陽光能就可使宇宙飛船馳騁太空。但“太陽帆飛船”這一概念到20世紀20年代才明晰起來。1924年，俄國航天事業的先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和其同事弗里德里希·燦德爾明確提出了“用照射到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽帆———這種包在硬質塑料上的超薄金屬帆的設想，成為今天建造太陽帆的基礎。

光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從牆上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，並給撞擊物體以相應的作用力。在地球到太陽的距離上，光在一平方米帆面上產生的推力還不到一隻螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。“宇宙1號”的太陽帆面積為530.9平方米，由光壓獲得的推力僅為255克。如果太陽帆的直徑增至300米，其面積則為70686平方米，由光壓獲得的推力為0.034噸。根據理論計算，這一推力可使重約0.5噸的航天器在200多天內飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000米，它獲得的1.5噸的推力就能把重約5噸的航天器送到太陽系以外。

由於來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以每小時24萬公里的速度前進。這個速度要比當今以火箭推進的航天器快4～6倍。

理解這一點並不難。因為在太空中運行的航天器處於失重狀態，又無空氣阻力，只要加少許力的作用，就會改變運動方向和速度。比如，發射靜止軌道衞星時，衞星先進入大橢圓地球轉移軌道，待其運行到赤道上空3.6萬公里的最大高度時，遙控指令激活衞星上遠地點發動機工作，後者產生的推力僅為幾十千克，卻能使幾噸重的衞星移入靜止軌道併到達預定位置。原因就是這後加的推力使衞星產生新的速度，與原來的運動速度合成之後形成的最終速度為每秒3.075公里。太陽帆接受光壓的作用，不僅可在需要時改變航天器的運行軌道，而且能不斷加速飛行。

二十世紀70年代，當3名宇航員乘坐阿波羅11號宇宙飛船實現具有歷史意義的登月之旅時，20多米高的運載火箭共攜帶了2500噸燃料。為了擺脱龐大的運載工具，長期以來，人們一直設想開發一種以陽光為能源的光帆航天器。

20世紀初，幾位科學幻想小説家曾寫過有關用反射鏡面推動宇宙飛船的故事。但直到1924年，俄國航天事業的先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和其同事弗里德里希.燦德爾才明確提出“用照到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽帆———一種包在硬質塑料上的超薄金屬帆———的設想，成為今天建造太陽帆的基礎。

裝有太陽帆的航天器以陽光作動力，不需要火箭也不需要燃料，只要展開一個僅有100個原子厚的巨型超薄航帆，即可從取之不盡的陽光中獲得持續的推力飛向宇宙空間。它飛行起來很像大洋中的帆船，改變帆的傾角即可調整前進方向。而且只要幾何形狀和傾角適當，它可以飛向包括光源在內的任何方向。藉助陽光的推力，這種航天器可以飛向太陽系的邊緣並進入星際空間，如果輔以從地球軌道射出的強力激光束，它可以飛得更遠，直至到達離太陽系最近的恆星。

人們知道，光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從牆上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，並給撞擊物體以相應的作用力。單個光子所產生的推力極其微小，在地球到太陽的距離上，光在一平米帆面上產生的推力只有0．9達因，還不到一隻螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。

1976年，美國噴氣推進實驗室的科學家曾提出過大規模建造太陽帆的計劃。他們建議建造一艘帆飛船，與198 6年返回太陽系的哈雷彗星相會。但美國航空航天局認為這一方案面臨的風險太大，從而中止了太陽帆的研究。近年來，隨着微電子和材料科學的飛速發展，一直探索更快、更好、更便宜的空間飛行方式的美國宇航部門，重將目光投向了太陽帆計劃。美國航空航天局的科學家們稱，第一艘飛往太陽系邊緣的光帆航天器可在10年內發射。

美國國家海洋與大氣管理局和美國空軍已提出建造用於監視太陽表面活動的太陽帆計劃，它將用傳統的火箭將帆飛船送到距地球150萬千米的地方，在此，太陽的引力與地球的引力相互平衡。到達此處之後，航天器展開一個直徑70 米的較小的帆，通過精心選擇傾角，展開的帆即可提供所需的能量，使飛船向太陽方向繼續飛行150萬千米，並與地球保持同步。從這一有利地點，它就能監視干擾衞星和破壞地面電網的太陽磁暴，在磁暴襲擊地球前2小時發出警報，這一時間幾乎比目前的預警時間長了一倍。

除此之外，太陽帆計劃還包括髮射在高緯度繞地球飛行的商業衞星和一項飛向水星的計劃。承擔這種任務的帆要求面積更大，密度更低。專家們認為，利用一個邊長100米、密度為每平米10克的帆提供動力，即可到達水星，而且速度比用火箭推進更快。

科學家認為，如果開發出邊長200米、密度為每平米1至5克的帆，許多遠距離探測將成為可能。如果帆的密度降到每平米1．5克，陽光在帆上產生的推力即可與太陽的引力相平衡。當航天器到達太陽極地上方時，即可長久地在此觀察太陽的活動，這是迄今為止人類航天器從未到達的地點。如果將多個位於不同高度的航天器拍攝的太陽圖像組合起來，就可以獲得太陽的立體圖形。

向太陽系外側飛行的主要目標是土星。到達籠罩着一層甲烷的土衞六的帆航天器有類似的設計要求，科學家解釋説，它到達那裏要比火箭推進的探測器所用的時間少得多。

如同傳統的飛船可以藉助行星的引力改變航向並加速一樣，帆飛船也可以藉助太陽的引力改變航向並通過太陽輻射的推力獲得加速。被加速的飛船靠近木星軌道後，太陽的輻射將變得很弱，飛船靠自身的動量繼續向太陽系外側飛行。依靠少量的化學推力，它們或許會降落在一些有趣的地點，如人們一直懷疑有一個海洋的土衞二上面等。

太陽帆的另一項任務是作為星際探測器，它將首次飛出太陽系，到達離太陽200個天文單位的地方（一個天文單位為地球到太陽的距離）。如要飛向更遠的星際空間，就要穿過一個特殊地帶。按照愛因斯坦的理論，每一個質量巨大的物體都可以成為一個引力透鏡，使其後面的發光體發出的光線發生彎曲。在距太陽550個天文單位的距離，太陽的引力可使從遙遠恆星發出的光匯聚並放大，如果將一個帆動力望遠鏡放在這一位置，就可以前所未有的清晰度看到遙遠的物體，如圍繞銀河系中心運行的恆星。

帆航天器的最後一項任務是星際旅行。宇航專家們預測，未來的某一天，帆飛船將踏上飛往另一顆恆星的旅程。這將需要邊長1000米、密度每平米0．1克的帆。此外，還需要建造一個強力激光器或微波源，為飛船提供輔助能量。飛船將依靠繞地球軌道運行的、比太陽光強6倍的強力激光器和一個置於土星和海王星間的面積為得克薩斯州大小的巨型聚焦透鏡提供能量。這樣飛船即可在太空以1/10光速的速度飛行，在40年時間內即可到達距我們最近的阿爾法半人馬座恆星。

莫斯科時間20日4時31分，俄羅斯從巴倫支海一艘“伯利索格勒布斯克”號核動力潛艇上，用一枚經過改裝的SS-18“波浪”導彈，進行了首次使用太陽帆作為太空飛行動力的航天器發射升空實驗。 按計劃，安裝在這枚“波浪”導彈上的“宇宙－1”號航天飛行器首先進入亞軌道飛行狀態，其中的太陽帆在發射過程中處於摺疊狀態，當導彈彈頭在液體燃料發動機的推動下，進入遠地點約1200公里的太空軌道後，飛船與彈頭分離，覆蓋着鋁薄膜的兩個太陽帆緩緩地張開總直徑約26米的兩個花瓣，太陽帆航天飛行器在近地軌道飛行約25分鐘後，將返回地球，降落在俄堪察加半島。然而，到目前為止，地面人員還沒有找到返回的航天艙。專家們在分析了飛行實驗數據後確認，造成返回艙丟失的原因是第三級火箭沒有與航天器成功分離，從而使再入防護罩及兩個太陽能帆板無法展開，導致試驗失敗。 據報道，返回艙中裝有兩個用於記錄此次實驗的視頻相機，這兩個相機對此次實驗非常關鍵，它們是記錄兩個太陽能帆板展開過程的唯一裝置。

太陽帆這一概念誕生於20世紀20年代，它能利用太陽光的光壓牽引航天器進行太空飛行。由於在沒有空氣阻力的宇宙中太陽光子具有源源不斷、方向固定等特點，太陽光子會不停地撞擊太陽帆，因而使太陽帆所獲得的動量不斷增加，形成加速度。以太陽帆為動力的航天器無須攜帶任何燃料。據計算，直徑為300米的太陽帆，可使重約0.5噸的航天器在200多天內飛抵火星。如太陽帆的直徑可增加到2000米，則太陽帆就能把重約5噸的航天器送出太陽系。 20日發射升空的“宇宙－1”號是歷史上第一艘實驗型太陽帆航天飛行器，它由俄馬克耶夫科學生產企業和巴巴金科學研究中心共同研製。這次實驗的目的是測試形如花瓣的兩個太陽帆能否在太空中順利打開併產生動力，探索無需大量燃料而進行星際旅行的可能性。安裝在太陽帆航天飛行器表面的攝像裝置，對實驗的全過程進行了拍攝。

據悉，俄、美、德和法國的專家在距離發射水域約3海里的考察船上，仔細觀察了太陽帆航天器的整個飛行過程。按計劃，今年年底“宇宙－1”號將進入軌道飛行狀態。屆時，它所攜帶的8個太陽帆將會全部張開，使航天器不斷加速飛向預定軌道。