2011年1月6日
太阳帆船

这是一只奇特的“大风筝”，它不是靠普通的风，而是靠“太阳风”飞翔，它又像是在大海中翱翔的风帆，又叫“太阳帆船”。

太阳风是来自太阳的高能带电粒子流，里面有破碎了的氢和氦离子碎片，还有中子、质子和电子等各种亚原子粒子，它们源源不断地从太阳里“吹”出来，风速为每秒200～800千米。太阳风的效应与空气的流动十分相似，也能给予动力，推动太阳风帆前进，太阳帆船就成为一种独特的航天器。

早在40多年前，科学家和科幻作家卡尔·萨根就提出了利用太阳风制作航天器的设想。他认为，虽然太阳风的动力很微弱，但在太空中无阻力飞行时，风帆加速的过程比较长，长时间稳定的加速也能使风帆快速航行。不仅在太阳系内，就是在深太空里，借助其他“恒星风”，或仅靠自身的惯性，飞行器也能长时间飞行。由于无须携带燃料，巡航时间可长可短，完全可以独立飞行，使“太阳帆船”成为一种截然不同的太空飞行器。

2010年5月18日，日本宇航探索局（Japan Aero-space Exploration Agency, JAXA)首次成功发射了世界上第一只太阳帆船，名为伊卡洛斯号“空间帆”（ 图1 ）。这只帆船呈四方形，它薄如蝉翼，展开以后有14米宽，上面携带着太阳能电池，还有与地面联络的传感器等微型器材，地面人员可以随时调整它的飞行方向和姿态，以使它沿特定的轨道飞行。这样的全套装备价钱不菲，整整花去了1600万美元，还不包括以后维持和调整它的飞行所需。伊卡洛斯“空间帆”的成功发射和展开，证明了不用任何发动机实现太空飞行的可行性。

在日本成功发射“空间帆”的5个月之后，美国国家航空航天局（NASA）也成功发射了“纳米帆-D”（Nano Sail-D）（ 图2 ），并于 2011年1月6日 进入飞行状态。虽然它也不大，只有10米见方，但它不仅实验的内容很多，更是另一项更大计划的前奏。

纳米帆船的实验目标包括，利用它研究小型卫星的地面控制法，以减少卫星上的装备；实验更大型的太阳动力帆推进装置的可行性；实验太空轨道碎片的减速和控制技术；实验太阳风推力的加速和风帆的姿态控制技术；测试地球和太阳以及地球和月球的拉格朗日点。拉格朗日点是两个星球引力作用的平衡点，飞行器处在这个点上，两侧星球对它的引力相互抵消。在对太阳或月球做定位观测时，这个位置是各种探测器、天体望远镜等消耗能量最少的位置，也是月球空间站的定位点，可见纳米帆的个头虽小，但其作用不容忽视。很可惜，它飞行不到一年，因为遇到了强烈的辐射，在燃烧中被毁灭了。

自纳米帆-D发射成功以后，另一个更大规模的“太阳帆船计划”启动了。这只太阳帆船也呈正方形，它的边长38米，面积是1440平方米，虽然面积很大，由于采用了一种特殊超轻耐高温材料，厚度只有5微米（1微米是万分之一厘米），总重只有32千克，把它折叠起来，可以装在一只洗衣机桶里。帆翼完全打开后，所接受到的太阳风压力约为5牛顿，虽然这点推力非常小，但由于它在做环绕运动，其上各部分都是失重的，它绝不会像在地面的风筝那样“掉下来”。此外，更重要的是，这个推力持续不断，长时间在太空中无阻力地加速，最终会使它获得很大的速度。为了控制它的飞行姿态，在它的4个角上，装有平衡叶片，这是4套小型太阳能电池。此外，它还配备了探测装置，以使其成为空间气候的预警器。所谓空间气候，最大的因素是太阳风暴的发生。 图3 是制作人员正在整理太阳帆船的帆翼， 图4 是模拟图像。

太阳风暴常发生在太阳耀斑或黑子活跃期。在太阳风暴发生时，有大量的高强度太阳粒子流向外喷出，它们冲向地球磁场，首先使地磁场产生冲击波，引发地球的磁暴；由于上空电离层电子密度的突然增加，正常无线电通信将受到干扰，导致通信中断；一些高能粒子流还可能冲击在空间飞行的导航卫星、国际空间站或空间实验站等的探测器和计算机系统，使它们遭到破坏，不仅影响正常工作，也使其失去与地面的联系，甚至威胁到宇航员的生命安全；与此同时，地面的输电和配电体系也可能受到太阳风暴粒子的严重冲击，造成输配电失灵或电子通信受到干扰，出现大面积的停电或通讯事故。因此，预报太阳风暴也像预报地面的气流风暴一样重要，而执行空间气候观测和预警任务就可以由“太阳帆船”担当起来。

按照原计划，“太阳帆船”将在2014年年底从佛罗里达卡纳维拉尔角由“猎鹰”9号火箭发射升空，目前推迟到2018年。升空后，它将迅速张开，按照特定的姿态和方位在太阳风的压力推动下前进。NASA空间技术副主管迈克尔·伽扎里克说：“我们将兴奋地期待着太阳帆船迎风起航，并成功地飞翔。它将是未来空间航行的一种新概念。”一旦试飞成功，太阳帆船成为一种空间天气预警器的成本将比卫星降低很多。

尽管“太阳帆船”还没有升空，但它的特殊性使人有更进一步的遐想，是否能让这种新型的航天器做深太空飞行呢？人们甚至考虑把它作为通往另一恒星体系的飞行器，以地基超强激光照射它，利用光压推动它驶向深太空。

2016年4月，物理大师斯蒂芬·霍金罕见地出面，通过媒体向世界透露一项令人心惊的计划，他与俄罗斯富豪尤里·米尔纳和脸书创始人马克·扎克伯格，三人作为一个“梦幻组合”，创始了一项称为“突破摄星计划”（“Break-through Starshot Project”）的项目，这项计划听起来有些“疯狂”。这是一艘“纳米飞行器”，它是总重不超过1克的风帆，不要以为这个风帆有多么小，要知道，一小粒质量不足1毫克的石墨烯，展开后的面积就能达到1平方米。他们计划用激光驱动这只风帆，最后使它加速到五分之一的光速驶入深太空，在20年后到达半人马α座。 图5 是发布会现场，在讲台前站立的是大富豪尤里。

霍金三人的“突破摄星计划”可谓野心勃勃，在发布会现场，霍金发出了豪言壮语：“只要想去，就没有高不可攀的星星。”然而，实现起来当然不易。尽管在夜空里，半人马α座不用望远镜就可以看到，但它距离我们有4.3光年远，以现在所具有的太空技术，使“先锋2号”宇宙飞船达到太空的最高速度，飞抵这座星需要3万年。而以目前人类的最大推进技术，要想把仅有1～10克重的小东西加速到五分之一的光速，所消耗的能量将比一颗原子弹爆炸的总能量还要大，照射到“纳米飞行器”上的光功率要达到1000亿瓦！如果没有特殊的设计，如此巨大的能量集中在小小的“纳米飞行器”上，是否会直接把它摧毁？对这项如科幻般的计划，人们将拭目以待。

关键词： 太阳帆船，“突破摄星计划”，纳米飞行器，sunjammer，Breakthrough Starshot Project，nanocraft

图1： http://www.space.com/21556-sunjammer-solar-sail-launch-2014.html

图2： http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/26jun_nanosaild/

图3： http://spacenews.com/42227nasa-nixes-sunjammer-mission-cites-integration-schedule-risk/

图4： http://www.wired.co.uk/news/archive/2013-03/26/solar-sail-sunjammer

图5： http://www.telegraph.co.uk/science/2016/04/12/professor-stephen-hawking-to-announce-mystery-space-mission/ +qg9d/3DtQZRMNAZia854Z4oPZFHLEW6EfTx0Jp0hBYe/CIdFQ5vHtOaggJ0wVNs