乘太陽風航行宇宙 太陽帆時代展開(圖)

2011-02-18 20:30

1月底，NASA的NanoSail-D飛船，在距離地球650公里的軌道上展開了太陽帆。而此前由於它遲遲未能成功彈開太陽帆，讓NASA工程師幾乎放棄希望；就在NASA決定宣布實驗失敗時，太陽帆突然自己彈出，讓本次事件出現意外的轉機。

如果把能量強大的陽光視為風，太陽帆便是風帆

太陽帆是近年來太空探索活動中一個經常出現的詞，與我們熟知的光伏板不一樣，太陽帆的工作原理，並不是將太陽的光熱能量通過轉換器轉化成電能，而是直接利用太陽的光壓推動航天器前行的。

如果把能量強大的陽光視為風，太陽帆便是風帆。乘著這種「太陽風」便可在浩瀚的宇宙中航行。也就是說，太陽帆本身便是一種動力裝置，無需任何發動機和推進器便可在太空中航行。

然而在地面上，利用太陽光壓為動力並不可能，因為大氣層內存在空氣阻力和地面摩擦力太大，太陽光壓本身的能量並不足以克服地面的這些阻力。只有在幾近真空的宇宙中，太陽光壓才能起到足夠的作用驅動太陽帆飛行器飛行。

使用太陽帆，宇宙飛行器可以只攜帶少量燃料便可以進行遠距離太空航行。太陽帆能給航天器帶來高達每秒30公里的速度，去年6月返回地球的日本深空飛行器「隼鳥號」前往絲川小行星，便動用了這種技術。靠著太陽帆和電漿火箭的推進，這個人類歷史上到達太空最遠端的飛行器走完了整整60億公里行程。

就如同大航海時代來臨前三角帆船技術的完善一樣。太陽帆技術成為公認的進行深空探索必須具備的基礎技術。經過無數次實踐檢驗，太陽帆在深空探索中的可行性確實是毋庸置疑。

太陽帆的技術高在哪裡？

太陽帆本身的技術原理並不是很複雜，實際上和船帆沒有本質區別。然而材料的選擇卻制約了這種技術的發展。

現有的太陽帆的厚度僅僅為一張信紙百分之一，也就是說，這是一種比現有最薄安全套還薄的薄膜，然而這種薄膜卻必須經歷太空中各種惡劣環境的洗禮。這在過去十年是不可想像的事情。隨著納米技術的發展，才讓人類有了製造太陽帆材料的能力。

太陽帆如何張開也是一個非常棘手的問題。太陽帆的基本結構類似摺疊雨傘，而為了減輕重量，這張「雨傘」的傘骨也不能用現有的機械結構來實現開合。只能依靠「傘骨」本身的張合來完成這個動作。然而在地面經過測試毫無問題的記憶金屬，在高熱或者高寒的太空中，經過強輻射的作用後，卻會變得不那麼可靠。這就是為什麼本次NASA的科學家幾近絕望的原因——出現這樣的問題，是地球上科學家不能預料的。因為人類現在對於遠空環境的情況只能通過遠程探測器去獲得，這些數據並不全面和精確，如果出現了出人意料的環境變化，則可能造成無法預料的損失。這就是為何儘管無人飛行器已經突破了太陽系邊緣，而載人航天的最多只能到達月球表面的原因。

太陽帆的前景

如果說太陽帆主要作為遠空探險的動力來源則未免過於狹隘，本次NASA發射的、使用了太陽帆的衛星FASTSAT只是一顆小型衛星，然而太陽帆的實驗卻並不是這顆衛星完成的。

FASTSAT主要的作用是發射一顆納衛星，而這顆納衛星名為納米帆-D。太陽帆的展開實驗是由這顆納米帆-D衛星完成的，其大小僅僅相當於一個麥當勞漢堡包。

顯然這麼微小的飛行器是不可能進行遠空探索的。實際上NASA的實驗主要是為了驗證，以小型、獨立、成本效益好的方式發射商用或科學衛星，效果到底如何；這次發射實驗一旦成功，可能會讓NASA摒棄了更大型、更昂貴的發射任務。因此遠空探險並不是本次NASA實驗的主要目的，太陽帆一樣可以應用於地球軌道上衛星的低成本運作。

也有一些別的國家在關注這類實驗，英國也計畫在今年發射一顆體積像鞋盒那麼大的衛星，試驗太陽帆如何作為氣動式制動器為其提供動力。這樣也可以更低成本地解決太空垃圾的問題，英國希望這種以太陽帆為動力的衛星可以圍繞地球飛行「打撈」危險的太空垃圾。

太陽帆所能解決的不僅僅是太空垃圾，去年便有科學家構想給接近地球的小行星裝上太陽帆，從而避免地球文明被太空來客摧毀的可能。當然要想讓一顆直徑幾十公里的小行星改變運動軌跡並不容易，人類現有的太陽帆肯定不能完成這個任務。事實上人類迄今為止建造的最大的太陽帆動力飛行器展開直徑還不到20米，有效載荷不過100公斤左右，甚至無法維護人的生命維持系統，這樣的太陽帆顯然無法令行星改變運動軌跡。