太阳帆 第4期

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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，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空.但太阳帆飞船这一概念直到20世纪20年代才明晰起来.

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，成为今天建造太阳帆的墓础.

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”l号的太阳帆面积为530．93m2，由光压获得的推力仅为255g.

如果太阳帆的直径增至300m，其面积则为70686m2，由光压获得的推力为0．034t.根据理论计算，这一推理可使重约0．5t的航天器在二百多天内飞抵火星.若太阳帆的直径增至2000m，它获得的1．5t的推力就能把质量约5t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无尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时2.4×105km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，就会改变其运动方向和速度.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3．6×105km的最大高度时，遥控指令启动卫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3.075km.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，而且能不断地加速飞行.

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，是因为它实在太微小，一平方公里面积上的阳光压力总共才9N.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，获得的推力也就越大，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.

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1mm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160km/h，100天后飞船的时速将达到16000km/h，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时1.6×105km，这是人类任何飞行器都没有达到过的速度，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.