扬起太阳帆，启航太阳系

作者：Pierre Henriquet

编辑：Meister Xia

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太阳帆是学者们提出的新型太空飞行器驱动方式。

光帆飞船有别于普通飞船，既不需要携带燃料箱，也不需要通过燃料的燃烧和喷射推动自身前进。

光压产生的推力虽小，但可长期维持，启发了学者们近年来研发种种太阳帆，愈发先进。

研发者们也在努力优化太阳帆本身的设计，改善其接受光压推动的能力，比如美国航空航天局正在开发“彩虹”太阳帆。

美国“摄星计划”将在地球上建设100GW的激光发射阵，把小太阳帆加速到光速的20%，这样飞行器就能在2030年离开太阳系，在2060年左右到达距离太阳系最近的恒星——比邻星。

在航空领域，技术突破层出不穷，但宇宙飞船的驱动仍然以作用力与反作用力为基础，多年未变。给一个大质量物体施加的作用力（加速度）越大，则反方向形成的反作用力越大，从而可作为反方向运动的推动力。

无论是公元1世纪最原始的蒸汽机，还是本世纪的阿丽亚娜5型运载火箭、环绕龙宫小行星的日本隼鸟2号探测器，都以这一古老的原理为基础。既然已经在借鉴古人的智慧，何不重拾帆船这一经典古代发明呢？古时人类乘坐着帆船，探索新大陆，而未来的人类也许能乘着帆船，探索浩瀚星海！

“在太空中，没人能听见你尖叫”

经典科幻片系列《异形》有一句著名台词——在太空中，没人能听见你尖叫。声音需要气体、液体或固体介质才能传播，但太空环境的一大特点就是没有空气，呼救声无法在真空中扩散。无空气不成风，即使是工艺最精良的风帆船舶，一旦离开了地球大气层进入到外太空，也将寸步难行。但这并不意味着太空帆船毫无发展前景，因为太空并非空无一物的绝对真空。

图片来源：美国加州戈拉塔市ATK空间系统开发的20米太阳帆（NASA）

在每立方厘米仅有几个原子的低物质密度环境中，光子充斥着空间。地球公转轨道附近，每平方米的截面每秒有1021个太阳发射的光子穿过。光子撞击物体表面，会向物体传输少量能量，产生后坐力。早在几世纪前，人们就观测到了光压效应。

1619年，著名天文学家开普勒提出了一个假设：彗星尾部所指的方向总是背离太阳，或许是因为受到了太阳光的“吹拂力”。1873年，麦克斯维尔从数学上推导出了光压的存在。数十年后，20世纪初的学者成功地测量出了光照在一堵墙上产生的光压

理论上，光帆太空飞船是完全可行的，但光压的推动力够大吗？究竟多大的光帆才能拦截足够多的光子，让飞船仅靠阳光的力量前行呢？

机遇挑战并存

计算显示，让一个质量为1kg的物体在地球公转轨道处仅凭太阳的光压获得1m/s的加速度，需要10万平方米大的光帆。如果这一光帆是正方形的，则边长必须达到330m。如此巨大的光帆产生的加速度却低得可怜，令人恨不得立刻抛弃发展光帆的念头，另辟蹊径。但是放弃的人都忽略了一个重要因素：太阳光是取之不尽用之不竭的！

太阳已经发光发热了50亿年，未来估计还有50亿年的寿命。光帆飞船不像普通飞船那样，需要携带燃料箱、通过燃料的燃烧和喷射推动自身前进，故不存在燃料耗尽或者驱动机制故障的问题！

此外，虽然光帆的加速度不大，但可以稳定维持数年甚至数十年！

按照10万平方米光帆计算，在实际太空环境中飞行100天后，飞行器的速度可达到14000 km/h，3年后的速度可达到240000 km/h。也就是说，只要5年就能从地球飞到太阳系边缘的冥王星。要知道，美国的新地平线号探测器走了整整10年才到达冥王星！

从理论到实践

光压产生的推力虽小，但可长期维持，启发了学者们近年来研发种种太阳帆，愈发先进。全球首个太阳风帆飞船由非营利组织美国行星协会制造：八个边长30米的帆，牵引着100 kg的飞船主体。2001年，试验飞船的首次发射以失败告终。2005年，第二艘试验飞船搭载着一颗旧弹道导弹，从俄罗斯潜水艇发射，但很快与地面失去了联系，此后下落不明。虽然出师不利，但研发人员并未气馁。2010年，日本宇宙航空研究开发机构成功发射了“伊卡洛斯”号，其太阳帆边长为14米，以实践证明了太阳帆的可行性，以及此类飞行器的可操纵性。

图片来源：伊卡洛斯号太阳帆效果图（日本宇宙航空研究开发机构）

美国行星协会于2015年和2019年分别顺利发射了“光帆1号”、“光帆2号”，验证了将光帆安装在卫星上，调整其运行轨道的可能性——一个月后，315 kg的卫星（包括 15kg的帆）的运行速度果然增加了10m/s。

创新项目层出不穷

早期太阳帆飞行器的一大缺陷在于自重太大，超出了帆的承载力，故加速效应不明显。但如今，随着新技术、新材料、微电子、AI算法的发展，质量只有几公斤的微小型卫星成为了现实，且性能不打折扣，可与几百公斤的卫星媲美。

研发者们也在努力优化太阳帆本身的设计，改善其接受光压推动的能力。美国航空航天局正在开发"彩虹"太阳帆，帆面薄膜上有细小的脊线，能更好地反射光线，且不会影响飞行器的操纵。

值得一提的是，近年来航天业发生了巨大而深刻的变革。新技术层出不穷、进军太空的成本有所下降，即使是新晋初创企业也有条件测试、转化创新型太空服务和工艺。这一新格局被赋予了“新太空”之称。

在法国，一家名为Gama Space的初创企业最近获得了来自法国国家太空研究中心的200万美元资助，用于开发太阳帆。这一太阳帆面积将达到72平米，且厚度比头发丝还要薄50倍，预计2022年10月发射，携带一颗11kg的小卫星。不过，Gama Space的目光并不止步于地球轨道。创始人Thibaud Elzière已经开始规划能探测太阳系其他星体的太阳帆飞行器了。

图片来源：Gama Space太阳帆飞越土星效果图（Gama Space）

我们的目标是星辰大海

太阳帆技术的最后一个限制，是到达帆面的光子数量。飞行器离太阳越远，光子就越少，直到推力完全消失。

为解决这一问题，美国的摄星计划正筹划生产一千个太阳帆，每片不到1克重，带着飞行器探索太阳系之外的浩瀚宇宙。该计划还将在地球上建设100GW的激光发射阵，把小太阳帆加速到光速的20%，这样飞行器就能在2030年离开太阳系，在我们的有生之年内，既2060年左右，到达距离太阳系最近的恒星——比邻星。

21世纪内，人类有望拍摄到太阳系外的恒星以及其行星的高清图像吗？借助光子的力量，发挥人类的聪明才智，一切皆有可能！

图片来源：激光加速“摄星计划”太阳帆（M. Weiss）

Pierre Henriquet

Pierre Henriquet

核物理博士，Polytechnique Insights专栏作家

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