太空扬帆不是梦

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在太空扬帆远航,穿梭于星际,这是人类长久以来的梦想。如今,这个梦想可能很快就要变成现实了。

2015年5月20日,美国用“宇宙神5号”火箭发射了“光帆1号A”太阳帆航天器,它主要用于测试一些基本技术,但不进行星际旅行。2016年,美国还将发射“光帆1号 B”太阳帆航天器,它将飞得更远,在太空扬帆。

这太阳帆到底是什么东西呢?让我们从头说起。

凡尔纳有好点子

自从1957年10月4日苏联发射第1颗人造卫星,标志着航天时代到来以后,每个被发射上天的航天器都会携带着化学燃料、电能装置或核燃料。然而近些年,一些航天科学家一直在研究如何利用比风更可靠、更自由的太阳光粒子,使其成为探测器的动力。

其实,太阳帆概念很早就产生了。现代意义上的太阳帆概念诞生于19世纪法国著名科幻小说家凡尔纳的小说《从地球到月球》中,它是一种没有发动机、用太阳光做动力的航天器。

凡尔纳的思想为英国物理学家麦克斯韦的研究工作奠定了基础。19世纪70年代,麦克斯韦发现光是由非常小的粒子——光子构成的。由太阳发出的光子会以约30万千米/秒的速度大量地向太空中扩散,以这个速度,一个光子在1秒内可以绕地球赤道飞7圈。光子对任何物体都会产生作用力,向物体撞击并被反弹出去。尽管这种碰撞产生的能量非常小,但是太阳发出的光子的数量可是很多的,这些光子合在一起所产生的能量就相当大了。

传统的航天器是由自身携带的化学燃料或核燃料所产生的能量推动的,而太阳帆仅仅用巨大的、像镜子一样的帆反射光子就能动起来。

开启太空“永动机”

对于一个太阳帆来说,它的速度大小取决于它被光推动时间的长短。太阳帆在飞行的最初阶段速度可慢了,如果以这种速度飞行,要花1年时间才能到达月球。但别着急,太阳帆真正的本领还没发挥出来呢。

太阳帆的优势就在于,它不像常规火箭那样,推力只能持续相对短暂的时间。太阳光对太阳帆的推动,可是会一直持续下去的。在飞行100天后,它的速度能达到约16000千米/小时,1年后能达到约58000千米/小时,只要3年时间,太阳帆的速度就能达到约160万千米/小时。按照这样的加速度,太阳帆不出5年就能到达冥王星。今年7月14日飞临冥王星的“新视野号”探测器,可用了9年多时间才到达目的地。

通过持续的加速,太阳帆能够达到很高的速度。但是它离太阳也越来越远,阳光变得越来越弱,推动力自然就下降了。如果想让太阳帆飞出太阳系,科学家准备用激光推动它,不过,目前的科技水平还无法实现这一目标。科学家认为,或许,第一批天外来客就会以这样的方式光临地球。

失败是成功之母

近年来,日本和美国已多次在太空进行太阳帆试验,其中有成功也有失败,回望太阳帆的研究之路,可以说是坎坷不断,十分不易。

2001年7月20日,世界上第一个大型太阳帆——“宇宙1号”进行了亚轨道飞行试验,但因发射“宇宙1号”的“波浪号”火箭所携带的计算机出现失误,没有发出让火箭的第三级分离的指令,致使“宇宙1号”的帆无法展开。最后,它与火箭的第三级一起坠落。

2004年8月9日,日本宇宙研究开发机构在鹿儿岛发射了一枚S310小型火箭,火箭在太空中旋转飞行时成功地打开了两个不同形状、直径为10米的无骨架太阳帆,这在世界上尚属首次。

2005年6月21日,“宇宙1号”再次进行试验,由“波浪号”火箭从水下潜艇发射升空,但又因火箭故障而失败。其实,“宇宙1号”起初的设计方案真的很棒:它重约100千克,每个帆的长度为15米,由镀铝的增强型聚酯薄膜做成,仅5微米厚,大约只相当于塑料垃圾袋厚度的1/4。可惜,这些尖端的设计并没有得到发挥作用的机会。

2008年8月3日,美国用“猎鹰1号”火箭发射“纳帆-D1”太阳帆时,同样也因火箭故障而失败。“纳帆-D1”原设计重4.5千克,由铝与塑料制成。太阳帆展开后是由四个三角形组成的正方形,边长约3米,总面积约为9.3平方米。

太阳帆的研制过程还真是多灾多难啊,科学家为了它费尽了心思。

美丽的星际大风筝

一次次的失败虽然让人懊恼,但也使科学家获得了更多的经验。近几年,终于苦尽甘来——2010年5月21日,日本发射的“伊卡洛斯”太阳帆获得了成功。

因为过去进行的太阳帆试验只在地球周围轨道进行,所以,顺利离开地球远航的“伊卡洛斯”,是世界上第一个成功使用太阳帆技术的深空探测器。此次试验改写了人类航天的历史,使深空探测成为可能,也标志着“宇宙大航海时代”的真正来临。

“伊卡洛斯”太阳帆是一个高1米、直径1.6米的筒状小型航天器。当它进入太空后,卷在一起的超薄膜太阳帆徐徐展开,形成边长14米、对角线距离为20米的正方形帆面,样子就像一面大风筝。这面大风筝上的新科技真不少:它的超薄膜的厚度只有头发直径的1/10,重量仅为一枚硬币的1/5,可自由调节光反射;帆面上还嵌有25微米厚的硅薄膜太阳电池,电池所产生的电能除用于验证薄膜太阳电池的性能外,还为所携带的设备供电。

重整旗鼓再试验

虽然经历过“宇宙1号”太阳帆的失败,但美国对研制太阳帆仍自信满满。2015年5月20日,“光帆1号A”太阳帆航天器发射成功。它只有一个面包那么大,升空后展开成4块三角形薄膜,拼成一个正方形帆面,面积达到32平方米。

美国计划在2016年发射“光帆1号B”。它的运行轨道比“光帆1号A”高,样子就像一个长条面包,重约5千克。它由2个舱组成,其中一个用于储存电子和控制设备,另外一个用于携带折叠的太阳帆。美国还将研制比“光帆1号”飞得更高、更远的“光帆2号”和用于太阳气候监测的“光帆3号”。如果一切顺利,太阳帆有望成为人类飞出太阳系的主要工具。

利用太阳能来进行太空航行的太阳帆,代表了人类未来的太空飞行技术,它将向开发新型宇宙发动机的方向迈出重要一步。也许在不久的将来,我们就能真正在太空扬帆远航了。

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