太空中的帆

艺术家绘制的“由太阳辐射加速的星际风筝”太空探测器（TPG 供图）

帆常与海洋联系起来。如今虽然帆船已经不多见，读到“扬帆远航”这样的词语仍然能让人的头脑中产生出一种辽阔的意象。在海面上，帆船借助着海风前行。风帆把海风转化为航行的动力，驶向未知的远方。在地球之外，人类探索茫茫的宇宙空间，犹如几百年前的航海家们驾驶帆船投身于海洋。若是把地球大气层之外的宇宙空间比作茫茫大海，一些太空“帆船”则正在陆续从地球起航。若干年后，它们或许也会如当年的航海家一样，给人们发回关于远方的消息。

所谓太空中的“帆船”，指的是主要依靠光能为飞行器提供动力，在宇宙空间进行探索的人类飞行器。人类早在19世纪时就有了利用光能为飞行器提供动力的想法，当时人们的设想是使用一面大镜子来反射阳光，以此产生的能量相对于燃烧化学燃料自然是极小，却是无穷无尽。以人类在19世纪的科技水平自然是无法制造出真正的光帆，这个想法直到最近几年才逐渐成为现实。

想把地球上的人类宇航员或物品送上太空，需要利用火箭消耗大量的燃料，产生出巨大的推力以对抗地球引力。运送的目的地越远、载荷越大，所需要的火箭也就越大。目前人类正在准备运送人类宇航员远赴火星，其中一个难题就是要开发出能够携带足够燃料的超级火箭。树可以长高，但终不能抵天。火箭以及所能携带的燃料终有极限。

通过一种更为经济的方式，利用极小极轻的飞行器探索更为广阔的太空领域，是一种与重型火箭相对的设计思路。通过“光帆”（Light Sail）利用光能，尤其是无穷无尽的太阳能为飞行器产生动力，正在成为人类设计飞行器的一个新思路。

“光帆”概念进入大众的视野，源于2016年4月在纽约的一场发布会。在当时，物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和投资人尤里·米尔纳（Yuri Milner）共同宣布了“突破摄星”（Breakthrough Starshot）计划。他们宣布要开发上千个只有一枚邮票大小的名为“星片”（Star Chip）的光帆飞行器，利用设在地面的高能激光器阵列射向这些被释放在地球轨道上的飞行器，使之速度达到光速的20%，然后花费大约20年的时间到达距离地球最近的恒星——比邻星（Proxima Centauri），并拍摄照片传回地球。

利用光帆飞行器进行光速级别的星际旅行，飞跃数光年的宇宙空间，想要实现这个目标目前还有太多的技术问题需要解决，“突破摄星”计划近几年来也没有更新的消息传出。另一方面，使用一些高反射性的材料，把光子的动能转化为自身的动能，一些相对简单的光帆飞行器则已经成为现实，已经有几家太空机构都成功发射了光帆飞行器。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在2010年5月21日发射的“由太阳辐射加速的星际风筝”（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun，IKAROS）太空探测器，是世界上第一个成功运行的太阳帆飞行器。为了获取能量，IKAROS有一个厚度仅为7.5微米、由聚酰亚胺薄膜材料制成的正方形的光帆。光帆的对角线长20米，在内部还镶嵌着电池阵列。除了要测试几项关键技术之外，IKAROS还会对太阳系内的伽马射线、太阳风和宇宙灰尘等方面进行探测。

1980年成立的非政府组织“行星学会”（The Planetary Society）也在积极进行光帆飞行器实验。在2005年6月，行星学会首次发射了“宇宙1号”（Cosmos 1）光帆飞行器，结果在升空之后就与地面失去了联系。随后在2015年5月20日发射的“光帆1号”（Light Sail-1）飞行器主要用于检验几项关键技术，在经过了一个多月的运行之后，行星学会宣布试验成功。2019年6月25日，重约5公斤的“光帆2号”（Light Sail-2）飞行器搭乘太空探索技术公司（SpaceX）的重型猎鹰火箭发射升空进入地球轨道。它依靠一个展开约32平方米的光帆以获得能量。在2019年7月31日，“光帆2号”成功利用来自太阳光的动能进行变轨。它已经在地球轨道上拍摄了多张照片，至今仍在正常工作。

美国航空航天局（NASA）计划在近地小行星侦查（Near-Earth Asteroid Scout）任务中使用一些只有1公斤左右的“立方卫星”（Cube Sat）航天器。这款航天器将使用面积达86平方米的光帆以产生推力。2018年6月28日，NASA在地面的一个无尘实验室内对立方卫星进行了测试。

光帆飞行器的技术还在不断进化之中。NASA资助了罗切斯特理工学院的科学家格罗弗·斯瓦特兹兰德（Grover Swartzlander）进行光帆技术研究。与在人们的想象中，制造一款轻薄且高反射率的光帆，通过反射光线以获得动力不同，斯瓦特兹兰德的研究团队试图通过衍射光栅（Diffraction Grating）来保证光帆运行的方向，通过向前和水平的力来维持平衡。

斯瓦特兹兰德的研究团队制造出一个一厘米宽、由两个光栅组成的光帆。光帆由向列相液晶制造，被包裹在塑料材料中。左边的光栅可以把光线向右偏转，右边的光栅则相反。实验者们把这个光帆放置在测量仪器上，然后用一束激光照射光帆的正中央。可以测出，在光帆的两侧产生出了纳牛顿级别的趋向于中心的平衡力，使光帆可以始终与激光的方向保持一致。斯瓦特兹兰德认为，通过液晶制造的光栅更加简单和便宜，有可能投入大规模应用。利用液晶光栅，光栅自身的构成模式还可以被电信号所改变。在未来的设计中，人们有可能如同飞行员驾驶飞机一样驱使光帆。而且这样的控制甚至可以通过相对微弱的日光而非激光进行。当然，这些技术目前都还处于初始阶段，需要不断的实验验证和改进。

依靠一张帆，驾驶着飞行器在无限的宇宙空间中航行，这样充满科幻意味的场景正在逐渐成为现实，也在激发着人们无穷无尽的想象力。由于客观条件的限制，人类或许永远都无法冲出太阳系，但是由人类设计的飞行器，却可能突破太阳系的限制，奔向无尽的远方，为人类发回远方的消息。

（本文写作参考了美国航空航天局和《物理评论快报》杂志的相关报道） 太阳能光能航空航天太空