太陽帆飛船

著名天文學家開普勒在400年前就曾設想不要攜帶任何能源，僅僅依靠太陽光壓提供推力能就可使宇宙帆船馳騁太空。但太陽帆飛船這一概念到20世紀20年代才明晰起來。

關於光有壓力的探索最早可以追溯到17世紀，1619年開普勒猜測彗星的尾巴之所以背向太陽，是因為存在一種太陽風將其吹開，知道導致彗尾背向太陽的原因主要是陽光的壓力，所以開普勒的猜想可以作為第一個牽涉到光壓領域的論述。後來牛頓主張的光微粒説則很自然地引進了光壓的概念，但不久光波的概念就開始普及，光壓也就失去了生存的空間。即使如此，仍舊有眾多實驗物理學家試圖以實驗證明光具有壓力。例如1873年威廉·克魯克斯(William Crookes)就設計了輻射計。

如《輻射計》圖所示，在一個半真空的容器內有這樣的四片金屬葉片，它們都是一面塗黑，另外一面是塗白，然後放置於針尖上。用光源照射它就會使它們開始旋轉，克魯克斯由此認為發現了光壓。但實際上，這是空氣分子的壓力導致，由於容器內沒有抽空，所以黑色部分吸收熱量導致的温度增高會加熱這面的空氣分子，使之熱運動加快，對於葉片的壓力大；而白色部分吸收熱量少温度低，這面的空氣分子熱運動慢，壓力就小，其綜合效果就是葉片開始旋轉。簡單來説，光粒子“打”到太陽帆上，會產生反作用力，在地球由於有空氣阻力，這個力非常小，但在太空，阻力為0，太陽帆的速度便會很可觀，而且這個速度會疊加，也就是説，阿波羅號到月球需要3天左右，而太陽帆則需一個月，但如果去火星，阿波羅號至少要幾年，而太陽帆只需幾個月。

真正證實光壓存在的實驗就是1899年時列別捷夫所做的實驗，如圖《別捷列夫的實驗》所示：

細金屬片R放置於真空的容器G中，B點產生電弧光然後通過透鏡組C、D、K、W到達反射鏡組，最後經過一系列反射照射到真空中的細金屬片R。通過挪動S1反射鏡的位置可以讓光從右側入射，或者從左側入射照到細金屬片R的背面。P1可以轉送部分光線到熱電偶T，從而測量能量的大小。

列別捷夫的實驗結果和分析發表在1901年出版的論文《光壓的實驗研究》(Experimental Research on Light Pressure)上，1900年美國的E. F. Nichols和G. F. Hull也通過實驗得到了同樣的結論。他們的光壓實驗宣佈了光波動説的完結，成為光量子學説的基礎。

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“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，成為建造太陽帆的基礎。

而後科幻小説家阿瑟克拉克在他的小説《太陽帆船》裏太陽帆的概念深入人心。雖然“太陽帆”飛船的構想最早比人類第一枚火箭成功發射還早30多年，但它的發展卻不是一帆風順的，包含了人類將近一個世紀的夢想和曲折，也包含了它的設計者美國科學家佛裏德曼（“宇宙一號”項目主任）半生的夢想。

弗裏德曼畢生致力於推動光帆航宇的發展，早在上個世紀1976年他就職於美國宇航局噴氣推進實驗室的時候，他就提出利用一個64萬平方米的巨帆航向哈雷彗星進行探測的思路，美國宇航局認為太過冒險而沒有采納。他後來離開美國宇航局後，和他人一起組建了美國“行星協會”，在致力於推動國際太空合作的同時，讓他認識了許多俄羅斯宇航科學家和工程師，弗裏德曼最終從他們中找到了志同道合的夥伴，共同建造併發射人類的第一個光帆。

合作中的投資方是美國的“行星協會”，金額為400萬美元，負責建造的是位於莫斯科的一家前蘇聯的航空航天公司，這家公司在發射摺疊飛行器並在太空張開方面有經驗。該項計劃在實施的過程中也遇到了重重困難。2001年4月，它在地面試驗過程中，由於線路短路造成該飛船的一些元器件和電纜受到損害，亞軌道飛行的時間一推再推。2001年7月20日，人類的第一個太陽帆“宇宙一號”從一艘俄羅斯的核潛艇上發射升空，但飛船由於沒能與第三級運載火箭分離而墜毀。在第一個“宇宙一號”失敗後，弗裏德曼沒有放棄，決定重新建造新的光帆，名字仍然採用“宇宙一號”，工程師們花費了3年時間專門對太陽帆飛船進行改裝和完善，2004年夏季還進行了附加試驗，並決定不再重複短暫的亞軌道飛行，直接進行軌道實驗，而這就是由俄羅斯核潛艇從巴倫支海發射的浴火重生的“鳳凰”。出於謹慎為保萬全，“宇宙一號”的發射日期也是一再推遲。

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，光在一平方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。“宇宙”1號的太陽帆面積為530.93平方米，與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噸的航天器在二百多天內飛抵火星。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最快航天器快4~6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4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，遙控指令啓動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，它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。

人類很早就學會了製造帆，利用自然界的風這種免費而無限的動力來彌補划槳力量的不足。對於正在探索宇宙的人類來説，現代飛船有限的化學燃料能提供的動力同樣不是很有效。太空中雖然有太陽風（從太陽外層大氣不斷髮射出的穩定的離子流）這種可以同地球上的風相比擬的動力，但令科學家們感興趣的是推動力比太陽風大1000多倍的太陽光。

我們之所以在炎炎的夏日下也感覺不到任何陽光的壓力，是因為它實在微小，一平方公里面積上的陽光壓力總共才9牛頓。但太空中運行的航天器處於失重狀態，又無空氣阻力，所以輕微的推力(太陽光的壓力)就可以讓它加速，“宇宙一號”靠的就是它的光帆——非常輕而薄的聚酯薄膜，它們堅硬異常，表面上塗滿了反射物質，使得它的反光性極佳，當太陽光照射到帆板上後，帆板將反射出光子，而光子也會對光帆產生反作用力，推動飛船前行。因此，光帆的直徑越大，獲得的推力也越大，速度也將越快，改變帆板與太陽的傾角可以對速度進行調整。

而且，陽光的好處是不會枯竭，同火箭和航天飛機迅速消耗完的燃料相比，太陽光是無限的動力之源，只要有陽光存在的地方，它會始終推動飛船前進，光帆將以每秒約1毫米的速度加速移動。如果把它當作真正的宇宙飛行器使用，那麼它在展開光帆1天后，按理論計算，它的時速將增加到160公里，100天后飛船的時速將達到16000公里，如果它能持續飛行3年，速度會被提升到每小時16萬公里，相當於人類的宇宙探測先驅“旅行者”號探測器飛行速度的3倍。如果用它來探測冥王星的話，可以在不到5年的時間裏達到，而最快的傳統飛船至少需要9年，美國宇航局使用普通飛船探測冥王星的“地平線計劃”預期需要的時間卻是十多年。

2005年，世界首艘依靠太陽能驅動的航天器太陽帆飛船“宇宙一號”發射失敗後，研究人員已開發出體積更小、速度更快的改良版太陽帆飛船，有望最早在2010 年年底再次嘗試太空之旅。

美國行星學會研究人員介紹，這種改良版太陽帆飛船名為“光帆”，可在距地表800公里高空處軌道上飛行。這種飛船大小和一長條麪包類似，重約5公斤。飛船由3顆微型衞星組成，其中一個用於儲存電子，另外兩個用於攜帶摺疊太陽帆。太陽帆由一種聚酯薄膜製成，展開後邊長5米，厚度僅為普通垃圾袋的四分之一左右。

研究人員眼下尚未確定飛船發射具體日期。他們正在考慮使用美國或俄羅斯火箭發射，計劃最早於2010年年底前完成第一次發射。

太陽帆飛船愛好者十分看好這種航天器的前景。他們認為，太陽帆飛船理論上不需燃料發動機，是星際遠航的最可行辦法和最理想航天器。一些專家則説，即使暫時無法實施星際遠航，太陽帆短期內應用前景也不錯。它可用於建立太陽永久氣候觀測站，監測磁暴活動。

美國行星學會主席弗裏德曼説，研究人員共計劃3次太陽帆飛船航行。繼“光帆1號”後，他們還將發射“光帆2號”和“光帆3號”，讓它們在距離地球更遠的軌道飛行更長時間。不過，這些項目資金籌措成為難題。

弗裏德曼説，他和一些有意資助者談話後，一名“非常謙虛可愛的”男子走上前去，向他詢問整個項目所需資金並留下學會銀行賬號。這名男子最終決定資助前兩次發射。如果一切進行順利，他還將投資第三次發射。幾天後，這筆錢如期到賬。不過，這名神秘資助者不願公開身份。行星學會也沒有公佈項目所需資金總額。

2005年太陽帆飛船“宇宙一號”項目共耗資400萬美元。負責運載飛船的俄羅斯火箭起飛後突然停止飛行，致使飛船未能與運載火箭分離，導致發射失敗。

美國行星學會宣佈重啓太陽帆計劃當天，正值學會已故創始人、前宇航員兼科幻小説作家卡爾·薩根誕辰75週年紀念日。

長期以來，人們一直都渴望着能夠擺脱對火箭的單一依賴，找到新的動力方式，實現人類遨遊太空的夢想，其中之一就是製造太陽帆利用太陽能來進行太空航行，2004年的8月，日本人研製的太陽帆升空並進行了170公里高的短暫亞軌道實驗，打開了兩個長約10米的樹脂薄膜帆板，檢驗了光帆展開的可行性，之後火箭和光帆墜入大海。美國航宇局也在進行太陽帆飛船的研究，併為選擇太陽帆的製造材料進行了大量測試工作，還探討了如何發射以及太陽帆在太空怎樣展開等問題。美國預計2010年成行的太陽帆飛船將歷經15年以上的航程，飛行37億公里直到太陽系邊緣。

此次“宇宙一號”的飛行仍然是實驗性的，科學家們認為，“太陽帆”飛船可能是人類星際旅行的希望，因為以太陽光作為動力，可減少宇宙飛船攜帶的大量燃料，增加其機動性範圍，使其在太空停留更長的時間，而且只要有陽光存在的地方，它就會不斷獲得動力加速飛行。太陽帆代表了人類未來太空飛行的技術，如果這次試驗能夠成功，它將為開發新型宇宙發動機方向邁出重要一步，可以相信，人類未來完全可以利用太陽帆從事深空探索，並給人類的太空旅行帶來一場新的革命。因此，“宇宙一號”的命運不僅關係到未來星際航行中能源系統的建設，也將關係到人們對研製開發太陽帆的態度。

北京時間2005年6月22日凌晨4時46分，俄羅斯用“波浪”火箭發射了以太陽光為動力的“宇宙一號”(Cosmos-1)飛船，進行太陽帆的首次受控飛行嘗試。最新飛行數據顯示，飛船在起飛83秒後遭到失敗，主持這一項目的美國行星學會説，在發射約20分鐘後，飛船與地面失去了聯繫。飛船是否入軌正在等待進一步的證實。升空的飛船由8片三角形聚酯薄膜帆板組成，耗資400萬美元，是美國一傢俬人組織“行星協會”、俄羅斯科學院和莫斯科拉沃奇金科學生產聯合體花費數年時間聯合建造的。

按照原定計劃，“宇宙一號”被射進軌道之後，不會馬上張開帆體，頭幾天將被用於檢測“宇宙一號”上的各個系統，高度控制發動機也將點火以保持其軌道的穩定，負責拍攝照片的照相機要被檢測，而離子分析儀則開始蒐集數據，以便同帆體展開後的數據進行比較。

飛船入軌幾天後，位於莫斯科的地面站將發出展開帆體的命令，“宇宙一號”通過向桅杆充氣，首先展開它約15米長摺疊的三角形帆板中的4片，如果一切順利，幾分鐘後將再展開剩下的4片,它們將構成一個直徑約30米、面積600多平方米的“圓盤”。地面控制人員也可能選擇讓“宇宙一號”再環繞地球飛行一週後，重新回到莫斯科控制站上空後再展開。待所有帆板都打開後，“宇宙一號”就真正成為了一個光帆飛船。

飛船的帆板將首先保持固定不動，使得專家們能有機會仔細觀察“宇宙一號”的姿態和行為。隨後，控制人員才會調整帆板的方向，讓其對正太陽，或者反過來同太陽成垂直方向。在整個任務的眾多挑戰中，光帆的姿態控制是相當有難度的一關，沒人知道它的穩定性能到底如何。控制人員只能用看不見的電波來遙控它對準陽光，一旦出現技術問題，“宇宙一號”就可能被陽光“吹”偏側身，並從此迷失方向。

2009年末，日本宇航研究組織JAXA宣佈將在2010年發射太陽帆飛船。同時，美國也表示同年要再次發射太陽帆飛船。此外，歐空局也宣佈了自己的相關計劃。可見太陽帆飛船的未來方興未艾

日本將在2010年發射的太陽帆飛船名叫“伊卡洛斯”號，“伊卡洛斯”號將隨同“曉”號金星探測器，由H-2A運載火箭同時發射升空，並且同時飛往金星。

“伊卡洛斯”號擁有一面對角線長度20米的方形帆，由聚酰亞胺樹脂材料製成，厚度僅0.0075毫米。“伊卡洛斯”號在飛行中將不斷旋轉，依靠離心力使這面輕薄的太陽帆保持張力。

按照計劃，“伊卡洛斯”號將會花費幾周的時間展開太陽帆，然後進行一系列加速和減速的試驗，在經過半年旅行抵達金星軌道，將背對太陽開始進行為期三年的航行測試。

新華社東京2011年1月27日電（記者藍建中）日本宇宙航空研究開發機構日前宣佈，世界上第一艘依靠太陽能驅動的太空帆船“伊卡洛斯”號已成功完成全部實驗項目，包括利用陽光實現加速和改變軌道等。

“伊卡洛斯”號是隨金星探測器“曉”號一起發射升空的。迄今，它已飛行了約5億公里，並將繼續飛行至2012年3月。“伊卡洛斯”號主要用於驗證不使用燃料，利用太陽光粒子實現加速、減速和軌道控制的飛行技術。

據悉，“伊卡洛斯”號通過張開的太陽帆，藉助光的微弱壓力實現加速，並利用安裝在太陽帆上的液晶元件，通過部分改變光的反射率來使帆傾斜，從而改變行進方向。

宇宙航空研究開發機構表示，通信變得有些困難，但仍能控制這艘太空帆船，所以準備繼續實驗，通過加大帆的傾斜角度，使帆產生變形，以此調查帆的強度，同時觀測太空中塵埃的分佈狀況。

宇宙航空研究開發機構還透露，準備在2018年至2019年間發射前往木星的太空帆船。 ^[1]