最快速的太阳帆？先飞向太阳吧多个太空宇航局计划在未来的几十年内将宇航员送回至月球（或是第一次送往月球） ， 并启动首次载人飞船飞往火星 。 在这以及近地轨道的爆炸式发展 ， 毫无疑问我们正处于一个全新的太空探索时代 ， 各种星际旅行新旧概念也开始层出不穷 。
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现今备受关注的是光帆技术 ， 这是一种通过辐射压产生推动或者通过激光加速的技术 。 这类概念目前还面临着技术和工程实现方面的许多挑战 。 不过来自马克斯-普朗克天文研究所(MPIA)的Coryn Bailer-Jones在其近期主导的一项研究中表示 ， “sun diver”光帆将通过飞向太阳来获取需要的全部飞行速度 。 近期 ， 这项名为“sun diver：太阳帆和奥博特效应的结合”的研究 ， 刊登在美国物理杂志上 。
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Bailer-Jones表示 ， 太阳帆和光帆的一个最大吸引点在于它们可以使飞船不再需要装载推进剂 。 这将减轻飞船质量 ， 从而使得飞船能获得更大的速度 。 这也是著名的齐奥尔科夫斯基火箭方程的结果 ， 该方程描述了飞船通过丢弃自身质量(推进剂)作为反推力来获得加速 。 方程结果也说明火箭获取其速度增量Δv所需要装载的推进剂总量随着Δv的增加 ， 将呈指数级增长 ， 这主要是由于大部分推进剂还需要给未反应的推进剂加速 。
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到目前为止 ， 各种概念在对太阳系的探索中得到不断发展和实验 ， 包括行星协会的光帆1号和光帆2号、日本航天局的伊卡洛斯号飞行器 。 此外 ， 各个组织也在探索激光加速光帆作为星际旅行的可能性 ， 比如突破摄星计划、蜻蜓计划和NASA的星光计划 。 在两种情况下 ， 光帆都有其优势 。 Bailer-Jones在给今日宇宙的邮件中写道：“对于太阳系探索 ， 太阳帆将能让我们实现各种不同的精细操作 ， 或者进入轨道飞行 ， 而这通过其他方式实现需要大量推进剂辅助 。 对于星际旅行 ， 通过太阳帆飞向离太阳足够近的距离可以获取逃离太阳系的最大加速度 。 ”
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辐射阵列定相 ， 也许即将在智利沙漠高地推进启航 。
这种方法是有益的 ， 因为传统太阳帆依靠的辐射压力具有一定的缺点 。 据Bailer Jones（贝勒·琼斯）所述 ， 这些缺点包括了完全依靠日光进行适量加速 。 “特别需要指出的是 ， 来自太阳的最大加速 ， 太阳帆也只能展开其与太阳距离的平方那么大 ， ”他说 。 “所以 ， 当距离太阳非常远的时候并没有什么用 。 ” 因为辐射压力（及其带来的加速）在这些情况中的作用微乎其微 ， 光帆要么需要特别轻 ， 要么就需要特别大 。
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问题的解决方法之一是依靠强有力的定向能（辐射）阵列来加速光帆的打开 。 这恰恰就是突破摄星、蜻蜓、星光概念所要求的 ， 但是这样一个阵列的建造与运转非常昂贵 。
根据Bailer-Jones（贝勒·琼斯）所说 ， 另一个可能的解决方法是利用奥伯特效应创造一个光帆 。 他解释道：“奥伯特效应原理是当你在所运行的轨道上相对于所围绕的天体是最快速度时 ， 天体就可以成为助推 ， 同理可适用于太阳 ， 像潜水员一样贴近并利用使其成为助推 。 在自身轨道上距离太阳越近 ， 你就可以运行越快 。 所以利用奥伯特效应需要尽可能的接近太阳 。 ”
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行星协会光帆1号太阳航天器计划于2016年搭载SpaceX猎鹰重型运载火箭与其母卫星Prox-1一同进入运行轨道 。 资料来源：Josh Spradling 行星协会
在这一过程中 ， 内部装载有少量推进燃料的宇宙飞船就可以完成环绕太阳的圆形轨道运行 。 到时航天器就可以完成三件事情中的一件 。 首先 ， 用全部的推进燃料执行逆向推进（这样可以降低它的轨道速度） ， 因此就可以在展开帆之前尽可能的贴近太阳 。
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接着 ， 它完全可以放弃潜行 ， 并在光帆展开的时候使用完全的顺行推动（增加其轨道速度） 。 最后 ， 它能实现这二者的结合 。 他还想到了一种场景 ， 即光帆在初始圆形轨道上展开 ， 然后再使用助推器加速 。
考虑了所有情况后 ， Bailer Jones总结道 ， 航天器能执行完全逆行推动加速以尽快接近太阳 ， 一旦到达近日点就打开它的帆 。 而且根据他的计算 ， 用这种方式的话帆的最终速度就能达到近350 km/s ， 也就是能实现1260000 Km/h！
这显然比化学火箭所能达到的速度快得多 。 目前记录的最快的航天器是帕克太阳探测器 ， 它能达到的最大速度大概是246,960 km/h ， 但仍需要打开光帆飞行大约2865年才能到达比邻星附近 。
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在艺术家的描绘中 ， 装有太阳帆的IKAROS太空探测器在飞行中是一个典型的正方形风帆结构 。 图片来源：维基共享资源/Andrzej Mirecki
正如Bailer Jones所言 ， 材料科学的局限性对航天器所能实现离太阳的距离有限制 。 他说：“如果你的航天器在不用所能实现的加速的情况下能承受到达太阳的距离 ， 接着你就可以倾斜着帆螺旋前进 ， 使其尽可能地接近太阳 ， 然后再加速前行 。 ”
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此外 ， 他主要研究单个转移轨道所能实现的目标 。 另外 ， 他还声称他所确定的三种脉冲方法的最佳组合在两个转移轨道上也可以产生更高的速度 。 但其实 ， 太阳旅行者也有很多任务是可以实现的 ， 尤其是在接近地球的地方 。
“奥伯斯效应在实际运用中可能会受到限制 ， 然而 ， 在很多任务上你不仅对速度感兴趣 ， 你还想去控制你前进的方向以及你到达准确目的地的时间 。 因此 ， 符合这些条件可能与奥伯斯效应的最大可能增速是并不相容的 。 “
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至于星际间的飞行任务 ， 不管是否涉及“太阳旅行者”或定向能推进概念 ， 都必须得等到材料科学进步后才能完成了 。 所幸材料科学以及其他方面的发展在未来几年里是可以预见的 ， 如果实现 ， 势必会对太空探测带来重大的影响！
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参考资料：
1.太阳帆（也称为光帆 ， 特别是它使用来自于太阳以外的光源时）是使用巨大的薄膜镜片 ， 以太阳的辐射压做为太空船推进力的一种计划 。 辐射压非常小 ， 但不同于火箭的是 ， 太阳帆不需要燃料 。 推进力虽然很小 ， 但是只要太阳继续照耀着 ， 太阳帆就能继续运作 。
2.派克太阳探测器（英语：Parker Solar Probe ， 缩写：PSP）又译帕克太阳探测器 ， 简称派克号或帕克号 ， 旧称太阳探测器（Solar Probe）或太阳探测器 +（Solar Probe Plus 或 Solar Probe+）[8] ， 是NASA于2018年发射的无人航天器 ， 其任务是反复的探测和观察太阳的外日冕[3][9][6] 。 它将在2025年最接近太阳 ， 与太阳中心距离仅有9.86太阳半径（690万公里或430万英里）[10][11] ， 届时的速度高达690,000 km/h（430,000 mph） ， 或是光速的0.064%[10][12] 。
3.IKAROS:是由日本宇宙航空研究开发机构开发的试验性太空探测器 。 IKAROS于2010年5月21日以日本的 H-IIA 火箭和破晓号金星气象卫星以及其他四个小卫星一起发射 。 IKAROS 是世界第一个成功在行星际空间运作的太阳帆[3][5] 。 该太阳帆的名字由日本航太工程师森治取名自希腊神话中的人物伊卡洛斯[6][7] 。
4.delta-v：ΔV在天文动力学中字面上的意思是“方向和速度的变化” ， 但是ΔV也有特殊的意思：一个标量的单位用来测量一个轨迹变换用多少“作用力” ， 比如在改物质的轨道 。
作者：MATT WILLIAMS
FY：Astronomical volunteer team
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