扬起太阳帆，启航太阳系 _太阳系

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扬起太阳帆，启航太阳系
作者：Pierre Henriquet
编辑：Meister Xia

一览：

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。