研发中的太阳帆

    [国家航天局网讯] 8月9日，日本宇宙研究开发机构宣布，当天下午3点15分，该机构在鹿儿岛发射了一枚S-310-34小型火箭，火箭在太空中旋转飞行时，成功地打开了直径为10米的两个树脂薄膜太阳帆。这是在太阳帆研发征途上取得的一项重要成果。

　　太阳帆的推力哪里来

　　用运载火箭把太阳帆发射到太空，并让其打开，以便获得推力，最终目的是使它成为未来宇航的新工具。与现在使用的所有航天动力装置不同，太阳帆是利用太阳光的光压来推动航天器在太空飞行的。虽然它还处于初步开发阶段，但其发展前景却被航天专家们普遍看好。就其工作原理来说，科学家早就有所论述，只是近几年才开始实施研发。

　　著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不携带任何能量，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到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基础。

　　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，在太阳到地球的距离上，众多光子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。

　　日本此次发射到太空成功打开的两个太阳帆，每个直径为10米，面积为78.54平方米，由光压获得的推力仅为0.072克。显然仅具试验价值，尚无实用意义。如果把太阳帆的直径增至300米，其面积即为70686平方米，由光压获得的推力则为64.869克。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器飞行322天到达火星。如把太阳帆的直径增至2000米，它获得的2.883千克的推力就能把重约5吨的航天器送出太阳系。

　　由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。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3.6万公里的最大高度时，遥控指令启动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3.075公里。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，而且能使航天器不断加速飞行。

　　实际上，太阳除电磁波辐射外，还有粒子辐射。后者是指从太阳外层大气不断发射出的稳定的离子流，通常称为太阳风。在太阳帆上也有太阳风的作用，不过远比太阳光的作用微弱，完全可以忽略不计。同时，由于星际物质的影响，太阳风边界大约在25-50个天文单位之间，其压力又随距离平方而下降，故计算它对太阳帆作用所提供的推力已没有实际意义。因此不要把太阳光和太阳风的作用混为一谈。当然，也不要把太阳帆利用太阳光光压提供推力的方法同已经采用的将太阳能转换成电力的方法相混淆。太阳能电池早已应用于长寿命卫星和近距离的空间探测器上。

　　俄罗斯“宇宙1号”试验

　　三年前的2001年7月20日，俄罗斯就曾用一枚波浪型运载火箭在位于巴伦支海的伯利索格勒布斯克号核动力潜艇上点火升空，发射过宇宙1号太阳帆。这是人类第一次在太空进行的太阳帆飞行试验，尽管它以失败而告终，但其首创意义不容抹杀。

　　波浪型运载火箭是由名为魟鱼的SS-N-18潜对地洲际弹道导弹的动力装置改装而成的。20世纪90年代初，俄海军总司令部决定将部分魟鱼导弹推进系统改装成波浪型运载火箭，以承揽国际商业卫星发射业务。火箭被安装在现役潜艇的导弹发射筒中，并由潜艇运至适宜其发射的海域。这种可任意选择起飞地点的发射方式是陆地发射场无法做到的。发射宇宙1号太阳帆是波浪型运载火箭的第四次投入使用。

　　发射宇宙1号时，太阳帆作为有效载荷盛装在波浪型运载火箭顶端位置的保护罩内，并在升空过程中处于折叠状态。这样做是为了减少空气阻力，不然就无法进入太空。按预设程序，当火箭冲出大气层后抛掉整流罩，进入远地点约1200公里的太空预定轨道后帆箭分离，随即表面覆盖着铝薄膜的太阳帆缓缓地绽开成总直径约为26米的两个花瓣，有效面积为531平方米，由太阳光压获得的推力为0.487克。依照计划，太阳帆在近地轨道飞行约25分钟后返回地球，降落在俄东北部的堪察加半岛，飞行距离8000多公里。

　　此次飞行试验的目的是测试形如两个花瓣的太阳帆能否在太空中顺利打开并产生推力，检验现行方案的合理程度并为更远距离的航行提供借鉴，探索将来无需大量燃料而进行星际旅行的可能性。为此，安装在宇宙1号表面的摄像装置将对实验进行拍摄，并要求把测试照片和资料及时传回地面。

　　在试验结束阶段，地面控制人员发出遥控指令，启动太阳帆上的充气制动装置，使其表面被特制的气囊所覆盖。在气囊的制动下，太阳帆在稠密大气层中的返回速度可降至每秒16米。此过程，实际就是将高压气瓶的气体充填于气囊，使太阳帆的体积因气囊膨胀而增大，从而增加了空气阻力，减慢了返回速度。气囊中的特质气体，可防止与大气摩擦时所产生的热量而损坏宇宙1号上的仪器。当时，俄罗斯、美国、德国和法国的专家在距离发射水域约3海里的考察船上观看了宇宙1号的出航。专家们认为，俄罗斯在利用太阳光能作为航天动力技术上率先迈出了一步。

　　但是，试验结束后，地面人员并没有找到返回的太阳帆。专家们在分析了飞行试验数据后确认，导致返回失败的原因是末级火箭没有与宇宙1号成功分离，从而造成太阳帆和再入防护罩即气动装置无法展开。

　　日本迈出成功第一步

　　日本这次发射太阳帆试验，其突出的成果是，采用了迄今为止最先进的技术，在全世界首次于太空成功地先后打开了两个薄膜装置。相对俄罗斯的宇宙1号来讲，日本的太阳帆在太空打开技术上显然又前进了一步。本次试验的目的，是研制能够接受光压以获得推力的太阳帆，以便将来使深空探测器能以太阳光能为动力，向遥远的木星等天体飞行。

　　试验中，S-310-34火箭旋转升空100秒达到122公里的高度后，打开了由4片树脂薄膜组成的三叶草状的第一个太阳帆；当火箭升空230秒达到169公里时，处于外层的第一个太阳帆与火箭分离。接着，火箭的旋转飞行又打开了由6片扇形树脂薄膜组成的第二个太阳帆，然后帆箭分离。大约在火箭升空6分40秒即两个太阳帆分别单独飞行2分50秒后，它们都坠落在内之浦东部海面。

　　为了使太阳帆能够接受光压，要求它扬帆时必须整个打开，没有半点皱褶。因为只要有皱褶，帆上就会出现阳光照射不到的阴影部分，从而减少获得的推力。日本采用火箭旋转飞行的方式打开太阳帆的道理也即在此。设计太阳帆的构造时，不仅要考虑扬帆过程中不能产生皱褶，而且要想到扬帆后还得让它旋转，利用离心力使帆面不生皱褶。由于太阳帆所产生的推力，与帆相对太阳的方向有密切关系，故而它还必须携带姿态控制系统控制本身的运动方向。

　　一个好的太阳帆结构，应是以尽可能小的重量获得尽可能大的太阳光照射面积，同时易于实现打开和控制。为了实现太阳帆又轻又大，选用材料十分关键。目前最适合制作太阳帆的材料，是聚酰亚胺高分子薄膜，其厚度可达6微米甚至更薄。该种薄膜的物理特征，如厚度、密度、强度、柔性、反射率、温度适应性、膨胀系数、抗辐射剂量等，均能满足太阳帆的特殊要求。日本的两个太阳帆就是采用7.5微米即0.0075毫米厚的聚酰亚胺树脂制成的。虽然目前科学试验用气球多以聚乙烯制作，但这种材料不耐热、紫外线、宇宙射线等，故不适合制作太阳帆。

　　目前，除俄、日以外，美国宇航局和欧洲空间局也在进行太阳帆的研发。美国已为选择太阳帆的制造材料进行了大量测试工作，还探讨了如何发射以及太阳帆在太空怎样展开等问题。美国宇航局预计2010年后成行的太阳帆飞船将经历15年以上的航程，飞行37亿公里直到太阳系边缘。最初几次航行主要运载机器人，然后才会考虑载人到太空远行。（尹怀勤）