光帆 第10期

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宇宙中竟然有大量的行星，天文学家的这一发现使得科幻小说中我们对于星系外的世界的梦想慢慢在实现。研究这些遥远的行星能告诉我们地球究竟有多神奇，而且也会使我们对太空中我们的居所有更多的了解。这样的想法促使美国航空航天局开始对星星进行观测。但是观测是一回事，要对它们进行实地探索是非常困难的。如果只能采用当今的技术，即便是要到达离我们最近的恒星也要花上数千年的时间。1998年我与美国航空航天局共同开展了一项有关推进技术的研究，它能够使航天器飞到另一个足够远的星球以完成其使命，这样任务要花费40年的时间，相当于一个教授一生用于科研的时间。最后我们只提出了3个在现在看来站不住脚的解决方案：核聚变、反物质和射束能量。当然，如今只有射柬能量有了充分研究并成为任何一个现实的近期研究计划的一部分。很容易理解为什么射束能量这么有吸引力，当你开车长途旅行时。你要找加油站去加油，同时汽车也得能持续工作。相反地，现在的航天器必须随身携带其需要的燃料。而且必须要在没有人类干预的情况下运转。那么能否把发动机和燃料都保留在地球上呢?除了能使飞行中的修复成为可能，这样的安排可以减轻航天器的重量，那样它就可以更容易地加速，射束能量或许就可以解决这一问题。工程分析表明使航天器做长时间飞行的最好方法，就是把一束强大的光学激光照在一个大而薄的“帆”上。早在1984年罗伯特・L富沃德就第一次提出了这种想法。激光可以远距离传输能量，而光帆所具有的大面积使得它可以获得与其规模有关的大量能量。

其他类型的射束能量，如微波也有这样的用途。有些科学家甚至考虑把一种带电粒子射向航天器。这些粒子在将要到达航天器时，会穿过一条超导磁圈，产生的洛仑磁力会提供推动力。就目前看来，把激光打在光帆上是最切实际的选择。当激光光子打在光帆上，会有两种结果：一是它可以与光帆上的原子周围的电磁场发生弹性碰撞并被反射回来；二是光子可以被光帆材料吸收，这个过程可以使光帆温度有极小地提高。两个结果都可以提高速度，但是通过反射提高的速度是吸收的两倍。因此，最有效的光帆是能够反射激光束的那种。激光产生的加速度与它传送给光帆的力量成正比，而与航天器的大小成反比。与其他的推进力方法一样，光帆的作用受其热性能和材料强度，以及我们设计小型航天器的能力的限制。已经有人提议光帆应当由那些具有结构强度的抛光的金属薄膜制成。

光帆被加热后，可以传输的能量就会受到限制。因为随着金属表面温度提升，其反射力就会变得比较小。如果在光帆背面涂上一种可以有效吸热的材料，那么光帆的温度就会相对比较低，那样它的加速度就会提升。为了达到非常高的速度，航天器必须保持它的加速度。光帆能达到的最快速度取决于地球上发出的激光是否能有效地照亮其目标。众所周知，激光有一个重要的属性就是一致性，是指它传递的能量不受距离的影响，直到到达其散射距离。只要超过散射距离，激光所传输的能量马上就变得微乎其微。激光的散射距离以及由其提供能量的航天器能达到的最快速度取决于激光的光圈大小。非常强大的激光可能由一组紧密排列在一起的数百束小激光组成，其有效孔径差不多是整个排列的直径。当数百束小激光排列尽可能紧密时，就可以传送最大限度的能量。我们曾研制出紧密度接近百分百镶嵌式的排列。在位于加利福尼亚帕萨迪纳的喷气推进实验室，我的团队在研究任务成本时对单独的激光束和排列的大小进行了衡量。要完成一次星际飞行，需要一个巨大的光圈。依照我们的设计，如果要在40年内把一个探测器送到恒星半人马座α星，这个激光圈排列的直径需要是1000千米。幸运的是，探索行星的任务需要的光圈要小很多。如果用一个46亿瓦特的激光来给一个镀金的直径50米的光帆照明，那么只需要一个15米宽的光圈，就可以把一个重10千克的有效载荷在10天内送到火星。这一系统可以用三四年的时间把一个探测器送到太阳风与星际介质的边界。光帆航天器可以自动追随光束，因此调整方向的工作可以在地球上完成。甚至可以在光帆上放置一种反射外圈，它可以在即将到达目的地的时候脱离。这种圈可以像原先那样继续向前行进，把激光反射到已经和它分离的光帆的中心部分，从而推动光帆返回。很多与光帆有关的工作已经完成，美国国防部已经研制出高功率激光器和具有精确定位能力的光束，以此作为弹道导弹防御系统和反卫星武器研究的一部分。此外，旨在反射太阳光线的帆状构造已经被测试过。俄罗斯科学家已经制造出一个旋转的、直径有20米的有机聚合物太阳能反射镜――“旗帜2”号，它是一项旨在冬天给俄罗斯北部城市提供额外照明的计划的一部分。按计划，另一个直径有25米的反射镜也将要被测试。在美国，美国国家海洋和大气管理局正计划在4年内发射一个由太阳能光帆提供动力的航天器。它将在太阳和地球之间的不稳定轨道运行，在那里可以对太阳风暴产生的粒子进行一小时的预报。美国航空航天局正在考虑一个研发出激光光帆作为一种代替常规火箭的可能的、低成本的飞行计划。正在考虑的任务既有在地球轨道中建一个直径100米的光帆，也有要完成一段通过我们行星系统边缘冲击波的旅程。在不久的未来。实验室可以测试参与探索火星、柯伊伯带和星际介质等任务的光帆材料所具有的属性。位于新墨西哥州的白沙导弹发射场使用的军用兆瓦级化学激光可以用来照射安排在航天器上的光帆，以此来测试照射后的加速度。此外，计划在5年内研制出的能够轻易脱离电网的兆瓦级激光，能够使光帆在轨道之间转换。据我估计，这样的激光可以在10年内给探索月球的科学任务提供能量。我们可以把光帆看作是未来的一个可能研制成功的科研成果，可以使人类能够快速地拜访太阳系内遥远的地方以及太阳系外的太空，而不用花费太多。未来它们可以使探索遥远的恒星成为现实。

亨利・M.哈里斯是加利福尼亚帕萨迪纳喷气推进实验室的一名物理学家，主要研究星际探索。他也设计太空飞船和进行其他实验。哈里斯也是一名爵士乐手，他还写了一本关于科学和灵性的小说。

理论上的光帆：在未来，由地球上的激光驱动的飞行器可以把传感器送到太阳系遥远的地方或者是其他恒星。光帆的反射表面可以使速度最大化。小规模的结构可以携带轻型的有效载荷。