太阳帆飞船_航天器 - 威林百科weilinceramic.com

太阳帆飞船

航天器

太阳帆飞船是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供 10e－5～ 10e－3g左右的加速度。太阳帆飞船靠阳光漫游太空，不携带燃料并一直加速。

发展历程

著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源，仅仅依靠太阳光压提供推力能就可使宇宙帆船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。

关于光有压力的探索最早可以追溯到17世纪，1619年开普勒猜测彗星的尾巴之所以背向太阳，是因为存在一种太阳风将其吹开，知道导致彗尾背向太阳的原因主要是阳光的压力，所以开普勒的猜想可以作为第一个牵涉到光压领域的论述。后来牛顿主张的光微粒说则很自然地引进了光压的概念，但不久光波的概念就开始普及，光压也就失去了生存的空间。即使如此，仍旧有众多实验物理学家试图以实验证明光具有压力。例如1873年威廉·克鲁克斯(William Crookes)就设计了辐射计。

如《辐射计》图所示，在一个半真空的容器内有这样的四片金属叶片，它们都是一面涂黑，另外一面是涂白，然后放置于针尖上。用光源照射它就会使它们开始旋转，克鲁克斯由此认为发现了光压。但实际上，这是空气分子的压力导致，由于容器内没有抽空，所以黑色部分吸收热量导致的温度增高会加热这面的空气分子，使之热运动加快，对于叶片的压力大；而白色部分吸收热量少温度低，这面的空气分子热运动慢，压力就小，其综合效果就是叶片开始旋转。简单来说，光粒子“打”到太阳帆上，会产生反作用力，在地球由于有空气阻力，这个力非常小，但在太空，阻力为0，太阳帆的速度便会很可观，而且这个速度会叠加，也就是说，阿波罗号到月球需要3天左右，而太阳帆则需一个月，但如果去火星，阿波罗号至少要几年，而太阳帆只需几个月。

真正证实光压存在的实验就是1899年时列别捷夫所做的实验，如图《别捷列夫的实验》所示：

细金属片R放置于真空的容器G中，B点产生电弧光然后通过透镜组C、D、K、W到达反射镜组，最后经过一系列反射照射到真空中的细金属片R。通过挪动S1反射镜的位置可以让光从右侧入射，或者从左侧入射照到细金属片R的背面。P1可以转送部分光线到热电偶T，从而测量能量的大小。

列别捷夫的实验结果和分析发表在1901年出版的论文《光压的实验研究》(Experimental Research on Light Pressure)上，1900年美国的E. F. Nichols和G. F. Hull也通过实验得到了同样的结论。他们的光压实验宣布了光波动说的完结，成为光量子学说的基础。

1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆——一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为建造太阳帆的基础。

而后科幻小说家阿瑟克拉克在他的小说《太阳帆船》里太阳帆的概念深入人心。虽然“太阳帆”飞船的构想最早比人类第一枚火箭成功发射还早30多年，但它的发展却不是一帆风顺的，包含了人类将近一个世纪的梦想和曲折，也包含了它的设计者美国科学家佛里德曼（“宇宙一号”项目主任）半生的梦想。

弗里德曼毕生致力于推动光帆航宇的发展，早在上个世纪1976年他就职于美国宇航局喷气推进实验室的时候，他就提出利用一个64万平方米的巨帆航向哈雷彗星进行探测的思路，美国宇航局认为太过冒险而没有采纳。他后来离开美国宇航局后，和他人一起组建了美国“行星协会”，在致力于推动国际太空合作的同时，让他认识了许多俄罗斯宇航科学家和工程师，弗里德曼最终从他们中找到了志同道合的伙伴，共同建造并发射人类的第一个光帆。

合作中的投资方是美国的“行星协会”，金额为400万美元，负责建造的是位于莫斯科的一家前苏联的航空航天公司，这家公司在发射折叠飞行器并在太空张开方面有经验。该项计划在实施的过程中也遇到了重重困难。2001年4月，它在地面试验过程中，由于线路短路造成该飞船的一些元器件和电缆受到损害，亚轨道飞行的时间一推再推。2001年7月20日，人类的第一个太阳帆“宇宙一号”从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，但飞船由于没能与第三级运载火箭分离而坠毁。在第一个“宇宙一号”失败后，弗里德曼没有放弃，决定重新建造新的光帆，名字仍然采用“宇宙一号”，工程师们花费了3年时间专门对太阳帆飞船进行改装和完善，2004年夏季还进行了附加试验，并决定不再重复短暂的亚轨道飞行，直接进行轨道实验，而这就是由俄罗斯核潜艇从巴伦支海发射的浴火重生的“凤凰”。出于谨慎为保万全，“宇宙一号”的发射日期也是一再推迟。

2024年9月2日消息，美国国家航空航天局（NASA）当地时间8月30日宣布，其先进复合材料太阳帆系统（Advanced Composite Solar Sail System，ACS3）已成功部署太阳帆，标志着无燃料太空探索迈出重要一步。

原理

人们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530.93平方米，与光压获得的推力仅为255克。

主要数据

如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4~6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。

理解这一点并不难。因为在太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度。比如，发射静止轨道卫星时卫星先进入大椭圆地球转移轨道，待其运行到赤道上空3.6万公里的最大高度时，遥控指令启动星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十千克，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是这后加的推力使卫星产生新的速度，与原来的运动速度合成之后形成的最终速度为每秒3.075公里。太阳帆接受光压的作用，它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。

太阳风

人类很早就学会了制造帆，利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补划桨力量的不足。对于正在探索宇宙的人类来说，现代飞船有限的化学燃料能提供的动力同样不是很有效。太空中虽然有太阳风（从太阳外层大气不断发射出的稳定的离子流）这种可以同地球上的风相比拟的动力，但令科学家们感兴趣的是推动力比太阳风大1000多倍的太阳光。

我们之所以在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力，是因为它实在微小，一平方公里面积上的阳光压力总共才9牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力(太阳光的压力)就可以让它加速，“宇宙一号”靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜，它们坚硬异常，表面上涂满了反射物质，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆板上后，帆板将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。因此，光帆的直径越大，获得的推力也越大，速度也将越快，改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。

燃料

而且，阳光的好处是不会枯竭，同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比，太阳光是无限的动力之源，只要有阳光存在的地方，它会始终推动飞船前进，光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用，那么它在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将增加到160公里，100天后飞船的时速将达到16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时16万公里，相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里达到，而最快的传统飞船至少需要9年，美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

实践

宇宙一号

2005年，世界首艘依靠太阳能驱动的航天器太阳帆飞船“宇宙一号”发射失败后，研究人员已开发出体积更小、速度更快的改良版太阳帆飞船，有望最早在2010 年年底再次尝试太空之旅。

美国行星学会研究人员介绍，这种改良版太阳帆飞船名为“光帆”，可在距地表800公里高空处轨道上飞行。这种飞船大小和一长条面包类似，重约5公斤。飞船由3颗微型卫星组成，其中一个用于储存电子，另外两个用于携带折叠太阳帆。太阳帆由一种聚酯薄膜制成，展开后边长5米，厚度仅为普通垃圾袋的四分之一左右。

研究人员眼下尚未确定飞船发射具体日期。他们正在考虑使用美国或俄罗斯火箭发射，计划最早于2010年年底前完成第一次发射。

永久气候观测站

太阳帆飞船爱好者十分看好这种航天器的前景。他们认为，太阳帆飞船理论上不需燃料发动机，是星际远航的最可行办法和最理想航天器。一些专家则说，即使暂时无法实施星际远航，太阳帆短期内应用前景也不错。它可用于建立太阳永久气候观测站，监测磁暴活动。

美国行星学会主席弗里德曼说，研究人员共计划3次太阳帆飞船航行。继“光帆1号”后，他们还将发射“光帆2号”和“光帆3号”，让它们在距离地球更远的轨道飞行更长时间。不过，这些项目资金筹措成为难题。

弗里德曼说，他和一些有意资助者谈话后，一名“非常谦虚可爱的”男子走上前去，向他询问整个项目所需资金并留下学会银行账号。这名男子最终决定资助前两次发射。如果一切进行顺利，他还将投资第三次发射。几天后，这笔钱如期到账。不过，这名神秘资助者不愿公开身份。行星学会也没有公布项目所需资金总额。

2005年太阳帆飞船“宇宙一号”项目共耗资400万美元。负责运载飞船的俄罗斯火箭起飞后突然停止飞行，致使飞船未能与运载火箭分离，导致发射失败。

美国行星学会宣布重启太阳帆计划当天，正值学会已故创始人、前宇航员兼科幻小说作家卡尔·萨根诞辰75周年纪念日。

太阳帆意义

划时代的希望之行

长期以来，人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖，找到新的动力方式，实现人类遨游太空的梦想，其中之一就是制造太阳帆利用太阳能来进行太空航行，2004年的8月，日本人研制的太阳帆升空并进行了170公里高的短暂亚轨道实验，打开了两个长约10米的树脂薄膜帆板，检验了光帆展开的可行性，之后火箭和光帆坠入大海。美国航宇局也在进行太阳帆飞船的研究，并为选择太阳帆的制造材料进行了大量测试工作，还探讨了如何发射以及太阳帆在太空怎样展开等问题。美国预计2010年成行的太阳帆飞船将历经15年以上的航程，飞行37亿公里直到太阳系边缘。

此次“宇宙一号”的飞行仍然是实验性的，科学家们认为，“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的希望，因为以太阳光作为动力，可减少宇宙飞船携带的大量燃料，增加其机动性范围，使其在太空停留更长的时间，而且只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行。太阳帆代表了人类未来太空飞行的技术，如果这次试验能够成功，它将为开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步，可以相信，人类未来完全可以利用太阳帆从事深空探索，并给人类的太空旅行带来一场新的革命。因此，“宇宙一号”的命运不仅关系到未来星际航行中能源系统的建设，也将关系到人们对研制开发太阳帆的态度。

发射：“孔雀开屏”

北京时间2005年6月22日凌晨4时46分，俄罗斯用“波浪”火箭发射了以太阳光为动力的“宇宙一号”(Cosmos-1)飞船，进行太阳帆的首次受控飞行尝试。最新飞行数据显示，飞船在起飞83秒后遭到失败，主持这一项目的美国行星学会说，在发射约20分钟后，飞船与地面失去了联系。飞船是否入轨正在等待进一步的证实。升空的飞船由8片三角形聚酯薄膜帆板组成，耗资400万美元，是美国一家私人组织“行星协会”、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金科学生产联合体花费数年时间联合建造的。

按照原定计划，“宇宙一号”被射进轨道之后，不会马上张开帆体，头几天将被用于检测“宇宙一号”上的各个系统，高度控制发动机也将点火以保持其轨道的稳定，负责拍摄照片的照相机要被检测，而离子分析仪则开始搜集数据，以便同帆体展开后的数据进行比较。

飞船入轨几天后，位于莫斯科的地面站将发出展开帆体的命令，“宇宙一号”通过向桅杆充气，首先展开它约15米长折叠的三角形帆板中的4片，如果一切顺利，几分钟后将再展开剩下的4片,它们将构成一个直径约30米、面积600多平方米的“圆盘”。地面控制人员也可能选择让“宇宙一号”再环绕地球飞行一周后，重新回到莫斯科控制站上空后再展开。待所有帆板都打开后，“宇宙一号”就真正成为了一个光帆飞船。

飞船的帆板将首先保持固定不动，使得专家们能有机会仔细观察“宇宙一号”的姿态和行为。随后，控制人员才会调整帆板的方向，让其对正太阳，或者反过来同太阳成垂直方向。在整个任务的众多挑战中，光帆的姿态控制是相当有难度的一关，没人知道它的稳定性能到底如何。控制人员只能用看不见的电波来遥控它对准阳光，一旦出现技术问题，“宇宙一号”就可能被阳光“吹”偏侧身，并从此迷失方向。