文|Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

一覽：

• 太陽帆是學者們提出的新型太空飛行器驅動方式。
• 光帆飛船有別于普通飛船，既不需要攜帶燃料箱，也不需要通過燃料的燃燒和噴射推動自身前進。
• 光壓產(chǎn)生的推力雖小，但可長期維持，啟發(fā)了學者們近年來研發(fā)種種太陽帆，愈發(fā)先進。
• 研發(fā)者們也在努力優(yōu)化太陽帆本身的設計，改善其接受光壓推動的能力，比如美國航空航天局正在開發(fā)“彩虹”太陽帆。
• 美國“攝星計劃”將在地球上建設100GW的激光發(fā)射陣，把小太陽帆加速到光速的20%，這樣飛行器就能在2030年離開太陽系，在2060年左右到達距離太陽系最近的恒星——比鄰星。

在航空領域，技術突破層出不窮，但宇宙飛船的驅動仍然以作用力與反作用力為基礎，多年未變。給一個大質量物體施加的作用力（加速度）越大，則反方向形成的反作用力越大，從而可作為反方向運動的推動力。

無論是公元1世紀最原始的蒸汽機，還是本世紀的阿麗亞娜5型運載火箭、環(huán)繞龍宮小行星的日本隼鳥2號探測器，都以這一古老的原理為基礎。既然已經(jīng)在借鑒古人的智慧，何不重拾帆船這一經(jīng)典古代發(fā)明呢？古時人類乘坐著帆船，探索新大陸，而未來的人類也許能乘著帆船，探索浩瀚星海！

“在太空中，沒人能聽見你尖叫”

經(jīng)典科幻片系列《異形》有一句著名臺詞——在太空中，沒人能聽見你尖叫。聲音需要氣體、液體或固體介質才能傳播，但太空環(huán)境的一大特點就是沒有空氣，呼救聲無法在真空中擴散。無空氣不成風，即使是工藝最精良的風帆船舶，一旦離開了地球大氣層進入到外太空，也將寸步難行。但這并不意味著太空帆船毫無發(fā)展前景，因為太空并非空無一物的絕對真空。

圖片來源：美國加州戈拉塔市ATK空間系統(tǒng)開發(fā)的20米太陽帆（NASA）

在每立方厘米僅有幾個原子的低物質密度環(huán)境中，光子充斥著空間。地球公轉軌道附近，每平方米的截面每秒有1021個太陽發(fā)射的光子穿過。光子撞擊物體表面，會向物體傳輸少量能量，產(chǎn)生后坐力。早在幾世紀前，人們就觀測到了光壓效應。

1619年，著名天文學家開普勒提出了一個假設：彗星尾部所指的方向總是背離太陽，或許是因為受到了太陽光的“吹拂力”。1873年，麥克斯維爾從數(shù)學上推導出了光壓的存在。數(shù)十年后，20世紀初的學者成功地測量出了光照在一堵墻上產(chǎn)生的光壓

理論上，光帆太空飛船是完全可行的，但光壓的推動力夠大嗎？究竟多大的光帆才能攔截足夠多的光子，讓飛船僅靠陽光的力量前行呢？

機遇挑戰(zhàn)并存

計算顯示，讓一個質量為1kg的物體在地球公轉軌道處僅憑太陽的光壓獲得1m/s的加速度，需要10萬平方米大的光帆。如果這一光帆是正方形的，則邊長必須達到330m。如此巨大的光帆產(chǎn)生的加速度卻低得可憐，令人恨不得立刻拋棄發(fā)展光帆的念頭，另辟蹊徑。但是放棄的人都忽略了一個重要因素：太陽光是取之不盡用之不竭的！

太陽已經(jīng)發(fā)光發(fā)熱了50億年，未來估計還有50億年的壽命。光帆飛船不像普通飛船那樣，需要攜帶燃料箱、通過燃料的燃燒和噴射推動自身前進，故不存在燃料耗盡或者驅動機制故障的問題！

此外，雖然光帆的加速度不大，但可以穩(wěn)定維持數(shù)年甚至數(shù)十年！

按照10萬平方米光帆計算，在實際太空環(huán)境中飛行100天后，飛行器的速度可達到14000 km/h，3年后的速度可達到240000 km/h。也就是說，只要5年就能從地球飛到太陽系邊緣的冥王星。要知道，美國的新地平線號探測器走了整整10年才到達冥王星！

從理論到實踐

光壓產(chǎn)生的推力雖小，但可長期維持，啟發(fā)了學者們近年來研發(fā)種種太陽帆，愈發(fā)先進。全球首個太陽風帆飛船由非營利組織美國行星協(xié)會制造：八個邊長30米的帆，牽引著100 kg的飛船主體。2001年，試驗飛船的首次發(fā)射以失敗告終。2005年，第二艘試驗飛船搭載著一顆舊彈道導彈，從俄羅斯?jié)撍Оl(fā)射，但很快與地面失去了聯(lián)系，此后下落不明。雖然出師不利，但研發(fā)人員并未氣餒。2010年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構成功發(fā)射了“伊卡洛斯”號，其太陽帆邊長為14米，以實踐證明了太陽帆的可行性，以及此類飛行器的可操縱性。

圖片來源：伊卡洛斯號太陽帆效果圖（日本宇宙航空研究開發(fā)機構）

美國行星協(xié)會于2015年和2019年分別順利發(fā)射了“光帆1號”、“光帆2號”，驗證了將光帆安裝在衛(wèi)星上，調整其運行軌道的可能性——一個月后，315 kg的衛(wèi)星（包括 15kg的帆）的運行速度果然增加了10m/s。

創(chuàng)新項目層出不窮

早期太陽帆飛行器的一大缺陷在于自重太大，超出了帆的承載力，故加速效應不明顯。但如今，隨著新技術、新材料、微電子、AI算法的發(fā)展，質量只有幾公斤的微小型衛(wèi)星成為了現(xiàn)實，且性能不打折扣，可與幾百公斤的衛(wèi)星媲美。

研發(fā)者們也在努力優(yōu)化太陽帆本身的設計，改善其接受光壓推動的能力。美國航空航天局正在開發(fā)"彩虹"太陽帆，帆面薄膜上有細小的脊線，能更好地反射光線，且不會影響飛行器的操縱。

值得一提的是，近年來航天業(yè)發(fā)生了巨大而深刻的變革。新技術層出不窮、進軍太空的成本有所下降，即使是新晉初創(chuàng)企業(yè)也有條件測試、轉化創(chuàng)新型太空服務和工藝。這一新格局被賦予了“新太空”之稱。

在法國，一家名為Gama Space的初創(chuàng)企業(yè)最近獲得了來自法國國家太空研究中心的200萬美元資助，用于開發(fā)太陽帆。這一太陽帆面積將達到72平米，且厚度比頭發(fā)絲還要薄50倍，預計2022年10月發(fā)射，攜帶一顆11kg的小衛(wèi)星。不過，Gama Space的目光并不止步于地球軌道。創(chuàng)始人Thibaud Elzière已經(jīng)開始規(guī)劃能探測太陽系其他星體的太陽帆飛行器了。

圖片來源：Gama Space太陽帆飛越土星效果圖（Gama Space）

我們的目標是星辰大海

太陽帆技術的最后一個限制，是到達帆面的光子數(shù)量。飛行器離太陽越遠，光子就越少，直到推力完全消失。

為解決這一問題，美國的攝星計劃正籌劃生產(chǎn)一千個太陽帆，每片不到1克重，帶著飛行器探索太陽系之外的浩瀚宇宙。該計劃還將在地球上建設100GW的激光發(fā)射陣，把小太陽帆加速到光速的20%，這樣飛行器就能在2030年離開太陽系，在我們的有生之年內，既2060年左右，到達距離太陽系最近的恒星——比鄰星。

21世紀內，人類有望拍攝到太陽系外的恒星以及其行星的高清圖像嗎？借助光子的力量，發(fā)揮人類的聰明才智，一切皆有可能！

圖片來源：激光加速“攝星計劃”太陽帆（M. Weiss）

Pierre Henriquet

核物理博士，Polytechnique Insights專欄作家