扬起太阳帆,远航

5月21日，日本首个金星探测器“晓”号携5小型卫星发射升空。5颗小卫星中最引人注目的是名为“伊卡洛斯”的深空太阳帆动力飞船。它是世界上首个从地球飞往太阳系另一个行星的太阳帆航天器。其目标是在驶往金星的半年航行期间，依靠太阳帆提供推力来验证飞行技术。俄罗斯以前曾进行过两次太阳帆飞行试验，均告失败。日本也曾作过一次发射太阳帆试验，虽获成功，但时间极短。这一次不同，所用太阳帆已具实用价值。此举若获成功，将是人类在研发新型动力装置太阳帆征途上取得的一项重要成果，对未来航天技术发展具有重要意义。

　　

　　太阳帆的推力哪里来?

　　

　　与现在使用的所有航天动力装置不同，太阳帆是利用太阳光的光压来推动航天器在太空飞行的。虽然它还处于初步开发阶段，但其发展前景却被航天专家们普遍看好。就其工作原理来说，科学家早就有所论述，只是近10年来才开始实施研发。

　　著名天文学家开普勒在400多年前就曾设想不要携带任何能量，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。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”的论断，大大加深了人们对这一飞行原理的理解。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，成为今天建造太阳帆的基础。

　　我们知道，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，在太阳到地球的距离上，众多光子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。

　　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经过逐渐加速最终可以以每小时245千米的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器还要快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。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，而且能使航天器不断加速飞行。

　　实际上，太阳除电磁波辐射外，还有粒子辐射。后者是指从太阳外层大气不断发射出的稳定的等离子体(带电粒子)流，通常称为太阳风。在太阳帆上也有太阳风的作用，不过远比太阳光的作用微弱，完全可以忽略不计。说明这一点，意在不要把太阳光和太阳风的作用混为一谈。当然，也不要把太阳帆利用太阳光光压提供推力的方法同已经采用的将太阳能转换成电力的方法相混淆。太阳能电池早已应用于长寿命卫星和近距离的空间探测器上。

　　

　　薄膜材料是关键

　　

　　2004年，日本曾发射一枚小型火箭，以旋转飞行的方式，在太空成功打开两个树脂薄膜制成的太阳帆。每个太阳帆直径为10米，面积为78.54平方米，由光压获得的推力仅为0.072克。显然仅具试验价值，尚无实用意义。如果把太阳帆的直径增至300米，其面积为70686平方米，由光压获得的推力则为64.869克。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器飞行322天到达火星。如把太阳帆的直径增至2000米，它获得的2.883千克的推力就能把重约5吨的航天器送出太阳系。

　　为了使太阳帆能够接受光压，要求它扬帆时必须整个打开，没有半点皱褶。因为只要有皱褶，帆上就会出现阳光照射不到的阴影部分，从而减少获得的推力。日本采用火箭旋转飞行的方式打开太阳帆的道理也即在此。

　　为了实现太阳帆又轻又大，选用材料十分关键。目前最适合制作太阳帆的材料是聚酰亚胺高分子薄膜，其厚度可达5微米甚至更薄。该种薄膜的物理特征，如厚度、密度、强度、柔性、反射率、温度适应性、膨胀系数、抗辐射剂量等，均能满足太阳帆的特殊要求。

　　基于薄膜技术制造的太阳能帆板是“伊卡洛斯”号最关键的组成部分。发射升空进入预定轨道后，太阳帆板能否顺利展开是该航天器飞行成功与否的关键环节。由于帆板非常轻薄且没有支柱，因此将通过旋转机体，释放出安装在四角的坠子，利用离心力，使帆板展开成边长为20米的正方形。柔软而富有弹性的太阳帆板外面镀罩着一层纤薄的镜片，光子打击在它们上面，从而推动“伊卡洛斯”号在没有阻力的太空中向前飞行。整个飞船呈短圆柱形，在其外面除有太阳帆板动力装置外，两侧还装置着长度为14米的太阳能电池翼。

　　

　　为了监测“伊卡洛斯”号的入轨情况和实现地面对其跟踪测控，日本设有地面测控中心和测控站。入轨后的“伊卡洛斯”号，开始阶段由携带的蓄电池提供能源，短时间后即改为经光电转化的太阳能电池供电。待其展开的太阳帆板稳定工作能够提供正常推力后，就可开始调整帆板角度，进行有控飞行。帆板可以按照姿态控制系统的要求及时进行转动，以便使帆面用最合适的方向反射太阳光，从而最大效能地提供航天器所需要的飞行动力。当帆面垂直阳光时，就获得最大的光压力；当其与阳光平行时，光压力即为零。亦可按照预设程序或地面遥控指令，改变帆面的角度，缓缓调整轨道方向和位置。此次试验将测，试太阳帆驱动飞行器前进的速度、效率以及这种新型动力装置的操纵性能究竟怎样，为进一步改进和完善其功能积累经验。

　　“伊卡洛斯”号的首次飞行任务将持续6个月以上，距离地球4150万千米的金星将成为它的首个目的地。在到达金星附近的约半年时间里，它将完成验证试验。随后，它将飞过金星，继续飞向太阳附近。如果实践证明这种新型动力技术在航天器飞行应用上是成功的，其研制团队还有更为长远的打算。日本宇宙航空研究开发机构希望在本世纪20年代初期将一个装有更大太阳帆板的航天器送往更远的木星。

　　目前，除俄、日以外，美国宇航局和欧洲空间局也在进行太阳帆的研发。美国宇航局预计2010年后成行的太阳帆飞船将经历15年以上的航程，飞行37亿千米直到太阳系边缘。最初几次航行主要运载机器入，然后再考虑载人飞行。