文|Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

一覽：

• 太陽(yáng)帆是學(xué)者們提出的新型太空飛行器驅(qū)動(dòng)方式。
• 光帆飛船有別于普通飛船，既不需要攜帶燃料箱，也不需要通過(guò)燃料的燃燒和噴射推動(dòng)自身前進(jìn)。
• 光壓產(chǎn)生的推力雖小，但可長(zhǎng)期維持，啟發(fā)了學(xué)者們近年來(lái)研發(fā)種種太陽(yáng)帆，愈發(fā)先進(jìn)。
• 研發(fā)者們也在努力優(yōu)化太陽(yáng)帆本身的設(shè)計(jì)，改善其接受光壓推動(dòng)的能力，比如美國(guó)航空航天局正在開(kāi)發(fā)“彩虹”太陽(yáng)帆。
• 美國(guó)“攝星計(jì)劃”將在地球上建設(shè)100GW的激光發(fā)射陣，把小太陽(yáng)帆加速到光速的20%，這樣飛行器就能在2030年離開(kāi)太陽(yáng)系，在2060年左右到達(dá)距離太陽(yáng)系最近的恒星——比鄰星。

在航空領(lǐng)域，技術(shù)突破層出不窮，但宇宙飛船的驅(qū)動(dòng)仍然以作用力與反作用力為基礎(chǔ)，多年未變。給一個(gè)大質(zhì)量物體施加的作用力（加速度）越大，則反方向形成的反作用力越大，從而可作為反方向運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力。

無(wú)論是公元1世紀(jì)最原始的蒸汽機(jī)，還是本世紀(jì)的阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭、環(huán)繞龍宮小行星的日本隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器，都以這一古老的原理為基礎(chǔ)。既然已經(jīng)在借鑒古人的智慧，何不重拾帆船這一經(jīng)典古代發(fā)明呢？古時(shí)人類乘坐著帆船，探索新大陸，而未來(lái)的人類也許能乘著帆船，探索浩瀚星海！

“在太空中，沒(méi)人能聽(tīng)見(jiàn)你尖叫”

經(jīng)典科幻片系列《異形》有一句著名臺(tái)詞——在太空中，沒(méi)人能聽(tīng)見(jiàn)你尖叫。聲音需要?dú)怏w、液體或固體介質(zhì)才能傳播，但太空環(huán)境的一大特點(diǎn)就是沒(méi)有空氣，呼救聲無(wú)法在真空中擴(kuò)散。無(wú)空氣不成風(fēng)，即使是工藝最精良的風(fēng)帆船舶，一旦離開(kāi)了地球大氣層進(jìn)入到外太空，也將寸步難行。但這并不意味著太空帆船毫無(wú)發(fā)展前景，因?yàn)樘詹⒎强諢o(wú)一物的絕對(duì)真空。

圖片來(lái)源：美國(guó)加州戈拉塔市ATK空間系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的20米太陽(yáng)帆（NASA）

在每立方厘米僅有幾個(gè)原子的低物質(zhì)密度環(huán)境中，光子充斥著空間。地球公轉(zhuǎn)軌道附近，每平方米的截面每秒有1021個(gè)太陽(yáng)發(fā)射的光子穿過(guò)。光子撞擊物體表面，會(huì)向物體傳輸少量能量，產(chǎn)生后坐力。早在幾世紀(jì)前，人們就觀測(cè)到了光壓效應(yīng)。

1619年，著名天文學(xué)家開(kāi)普勒提出了一個(gè)假設(shè)：彗星尾部所指的方向總是背離太陽(yáng)，或許是因?yàn)槭艿搅颂?yáng)光的“吹拂力”。1873年，麥克斯維爾從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出了光壓的存在。數(shù)十年后，20世紀(jì)初的學(xué)者成功地測(cè)量出了光照在一堵墻上產(chǎn)生的光壓

理論上，光帆太空飛船是完全可行的，但光壓的推動(dòng)力夠大嗎？究竟多大的光帆才能攔截足夠多的光子，讓飛船僅靠陽(yáng)光的力量前行呢？

機(jī)遇挑戰(zhàn)并存

計(jì)算顯示，讓一個(gè)質(zhì)量為1kg的物體在地球公轉(zhuǎn)軌道處僅憑太陽(yáng)的光壓獲得1m/s的加速度，需要10萬(wàn)平方米大的光帆。如果這一光帆是正方形的，則邊長(zhǎng)必須達(dá)到330m。如此巨大的光帆產(chǎn)生的加速度卻低得可憐，令人恨不得立刻拋棄發(fā)展光帆的念頭，另辟蹊徑。但是放棄的人都忽略了一個(gè)重要因素：太陽(yáng)光是取之不盡用之不竭的！

太陽(yáng)已經(jīng)發(fā)光發(fā)熱了50億年，未來(lái)估計(jì)還有50億年的壽命。光帆飛船不像普通飛船那樣，需要攜帶燃料箱、通過(guò)燃料的燃燒和噴射推動(dòng)自身前進(jìn)，故不存在燃料耗盡或者驅(qū)動(dòng)機(jī)制故障的問(wèn)題！

此外，雖然光帆的加速度不大，但可以穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)年甚至數(shù)十年！

按照10萬(wàn)平方米光帆計(jì)算，在實(shí)際太空環(huán)境中飛行100天后，飛行器的速度可達(dá)到14000 km/h，3年后的速度可達(dá)到240000 km/h。也就是說(shuō)，只要5年就能從地球飛到太陽(yáng)系邊緣的冥王星。要知道，美國(guó)的新地平線號(hào)探測(cè)器走了整整10年才到達(dá)冥王星！

從理論到實(shí)踐

光壓產(chǎn)生的推力雖小，但可長(zhǎng)期維持，啟發(fā)了學(xué)者們近年來(lái)研發(fā)種種太陽(yáng)帆，愈發(fā)先進(jìn)。全球首個(gè)太陽(yáng)風(fēng)帆飛船由非營(yíng)利組織美國(guó)行星協(xié)會(huì)制造：八個(gè)邊長(zhǎng)30米的帆，牽引著100 kg的飛船主體。2001年，試驗(yàn)飛船的首次發(fā)射以失敗告終。2005年，第二艘試驗(yàn)飛船搭載著一顆舊彈道導(dǎo)彈，從俄羅斯?jié)撍Оl(fā)射，但很快與地面失去了聯(lián)系，此后下落不明。雖然出師不利，但研發(fā)人員并未氣餒。2010年，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)成功發(fā)射了“伊卡洛斯”號(hào)，其太陽(yáng)帆邊長(zhǎng)為14米，以實(shí)踐證明了太陽(yáng)帆的可行性，以及此類飛行器的可操縱性。

圖片來(lái)源：伊卡洛斯號(hào)太陽(yáng)帆效果圖（日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)）

美國(guó)行星協(xié)會(huì)于2015年和2019年分別順利發(fā)射了“光帆1號(hào)”、“光帆2號(hào)”，驗(yàn)證了將光帆安裝在衛(wèi)星上，調(diào)整其運(yùn)行軌道的可能性——一個(gè)月后，315 kg的衛(wèi)星（包括 15kg的帆）的運(yùn)行速度果然增加了10m/s。

創(chuàng)新項(xiàng)目層出不窮

早期太陽(yáng)帆飛行器的一大缺陷在于自重太大，超出了帆的承載力，故加速效應(yīng)不明顯。但如今，隨著新技術(shù)、新材料、微電子、AI算法的發(fā)展，質(zhì)量只有幾公斤的微小型衛(wèi)星成為了現(xiàn)實(shí)，且性能不打折扣，可與幾百公斤的衛(wèi)星媲美。

研發(fā)者們也在努力優(yōu)化太陽(yáng)帆本身的設(shè)計(jì)，改善其接受光壓推動(dòng)的能力。美國(guó)航空航天局正在開(kāi)發(fā)"彩虹"太陽(yáng)帆，帆面薄膜上有細(xì)小的脊線，能更好地反射光線，且不會(huì)影響飛行器的操縱。

值得一提的是，近年來(lái)航天業(yè)發(fā)生了巨大而深刻的變革。新技術(shù)層出不窮、進(jìn)軍太空的成本有所下降，即使是新晉初創(chuàng)企業(yè)也有條件測(cè)試、轉(zhuǎn)化創(chuàng)新型太空服務(wù)和工藝。這一新格局被賦予了“新太空”之稱。

在法國(guó)，一家名為Gama Space的初創(chuàng)企業(yè)最近獲得了來(lái)自法國(guó)國(guó)家太空研究中心的200萬(wàn)美元資助，用于開(kāi)發(fā)太陽(yáng)帆。這一太陽(yáng)帆面積將達(dá)到72平米，且厚度比頭發(fā)絲還要薄50倍，預(yù)計(jì)2022年10月發(fā)射，攜帶一顆11kg的小衛(wèi)星。不過(guò)，Gama Space的目光并不止步于地球軌道。創(chuàng)始人Thibaud Elzière已經(jīng)開(kāi)始規(guī)劃能探測(cè)太陽(yáng)系其他星體的太陽(yáng)帆飛行器了。

圖片來(lái)源：Gama Space太陽(yáng)帆飛越土星效果圖（Gama Space）

我們的目標(biāo)是星辰大海

太陽(yáng)帆技術(shù)的最后一個(gè)限制，是到達(dá)帆面的光子數(shù)量。飛行器離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，光子就越少，直到推力完全消失。

為解決這一問(wèn)題，美國(guó)的攝星計(jì)劃正籌劃生產(chǎn)一千個(gè)太陽(yáng)帆，每片不到1克重，帶著飛行器探索太陽(yáng)系之外的浩瀚宇宙。該計(jì)劃還將在地球上建設(shè)100GW的激光發(fā)射陣，把小太陽(yáng)帆加速到光速的20%，這樣飛行器就能在2030年離開(kāi)太陽(yáng)系，在我們的有生之年內(nèi)，既2060年左右，到達(dá)距離太陽(yáng)系最近的恒星——比鄰星。

21世紀(jì)內(nèi)，人類有望拍攝到太陽(yáng)系外的恒星以及其行星的高清圖像嗎？借助光子的力量，發(fā)揮人類的聰明才智，一切皆有可能！

圖片來(lái)源：激光加速“攝星計(jì)劃”太陽(yáng)帆（M. Weiss）

Pierre Henriquet

核物理博士，Polytechnique Insights專欄作家