太阳帆技术：最大太阳帆实现太阳系外航天

太阳帆（英文名：Solar sails）是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供 10e－5～ 10e－3g左右的加速度。

著名天文学家开普勒早在400年前就曾设想过不携带任何能源，仅依靠太阳光的能量使飞船驰骋太空的可能性。他曾指出，彗星烟雾状的尾部就是在太阳光影响下“不断飘动的”。开普勒还计算出太阳光可为宇宙飞船提供的具体推力。但直到1924年，俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和其同事灿德尔才明确提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的太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——这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。 

弗里德曼毕生致力于推动光帆航宇的发展，在上个世纪1976年他就职于美国宇航局喷气推进实验室的时候，他就提出利用一个64万平方米的巨帆航向哈雷彗星进行探测的思路，美国宇航局认为太过冒险而没有采纳。他后来离开美国宇航局后，和他人一起组建了美国“行星协会”，在致力于推动国际太空合作的同时，让他认识了许多俄罗斯宇航科学家和工程师，弗里德曼最终从他们中找到了志同道合的伙伴，共同建造并发射人类的第一个光帆。

              弗里德曼（左）检查光帆飞行器模型

合作中的投资方是美国的“行星协会”，金额为400万美元，负责建造的是

位于莫斯科的一家前苏联的航空航天公司，这家公司在发射折叠飞行器并在太空张开方面有经验。该项计划在实施的过程中也遇到了重重困难。2001年4月，它在地面试验过程中，由于线路短路造成该飞船的一些元器件和电缆受到损害，亚轨道飞行的时间一推再推。

2001年7月20日，人类的第一个太阳帆“宇宙一号”从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，但飞船由于没能与第三级运载火箭分离而坠毁。在第一个“宇宙一号”失败后，弗里德曼没有放弃，决定重新建造新的光帆，名字仍然采用“宇宙一号”，工程师们花费了3年时间专门对太阳帆飞船进行改装和完善，2004年夏季还进行了附加试验，并决定不再重复短暂的亚轨道飞行，直接进行轨道实验，而这就是俄罗斯核潜艇从巴伦支海发射的浴火重生的“凤凰”。 

2004年的8月，日本人研制的太阳帆升空并进行了170公里高的短暂亚轨道实验，打开了两个长约10米的树脂薄膜帆板，检验了光帆展开的可行性，之后火箭和光帆坠入大海。美国航宇局2004年的8月也在进行太阳帆飞船的研究，并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。

2005年6月22日凌晨4时46分，俄罗斯用“波浪”火箭发射了以太阳光为动力的“宇宙一号”（Cosmos-1）飞船，进行太阳帆的首次受控飞行尝试。最新飞行数据显示，飞船在起飞83秒后遭到失败，主持这一项目的美国行星学会说，在发射约20分钟后，飞船与地面失去了联系。

2013年10月，美国宇航局的一个项目计划向太空发射世界上最大的太阳帆。Sunjammer太阳帆任务在9月30的一项测试中成功展开了部分太阳帆，因此这个巨大的Sunjammer太阳帆成功通过了这项的设计测试，测试要求四分之一的太阳帆完全打开。太空飞船准备于2015年1月的发射。 

2015年5月，由行星协会设计，用来在地球轨道测试太阳光帆技术的小型航天器由阿特拉斯V型火箭成功发射。到达轨道后，航天器将展开庞大的太阳帆，并测试太阳推动的效果。 

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，在地球到太阳的距离上，光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。

如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

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。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，而且能不断加速飞行。(www.xing528.com)

在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力，是因为它实在微小，一平方公里面积上的阳光压力总共才9牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力（太阳光的压力）就可以让它加速，太阳帆靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜，它们坚硬异常，表面上涂满了反射物质，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆板上后，帆板将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。因此，光帆的直径越大，获得的推力也越大，速度也将越快，改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。

阳光是不会枯竭，同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比，太阳光是无限的动力之源，只要有阳光存在的地方，它会始终推动飞船前进，光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用，那么它在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将增加160公里，100天后飞船的时速将增加16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时16万公里，这是人类任何飞行器都没有达到过的速度，相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里达到，而最快的传统飞船至少需要9年，美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

卫星

太阳帆可以悬停在地球的极地上空。配备了太阳帆的航天器也可以定位到离太阳很近的轨道上，并能相对于太阳或地球保持静止。这种形式的卫星被命名为Forward卫星。

轨道修正

正在飞往水星旅途中的信使号探测器便利用了其太阳能电池板上所产生的光压来进行轨道修正。通过改变太阳能电池板和太阳之间的相对角度，可以调整辐射压的大小，这比推进器要精确得多。在引力加速机制下，很小的误差也会被放大很多倍，所以，精确的轨道修正可以为以后节省大量的燃料。

日本发射的隼鸟号在回程时则使用太阳能电池板上产生的太阳光压当做姿势稳定控制，用以替代无法使用的X轴和Y轴控制装置，并与离子引擎加以辅助尚能使用的Z轴姿势控制装置。

星际飞行

以太阳帆直接进行星际航行一直是太阳帆研发的最终目的。

2012年止唯一确认以太阳帆进行星际航行的，只有日本于2010年发射的实证测试宇宙探测器IKAROS。

如果轨道高度低于800km，太阳帆基本就没有用武之地了，因为此时大气阻力的影响比光压要大许多。只有当轨道高度大于这个限度时，太阳帆才能在光压的推动之下产生一个非常微小的加速度，通过数月的累积达到足够的速度。太阳帆通常要做得很大，而载荷相比之下就非常小了。直到现在，太阳帆的展开依旧是一个不小的难题。

长期以来，人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖，找到新的动力方式，实现人类遨游太空的梦想，其中之一就是制造太阳帆利用太阳能来进行太空航行.

科学家们认为，“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的唯一希望，因为以太阳光作为动力，可减少宇宙飞船携带的大量燃料，增加其机动性范围，使其在太空停留更长的时间，而且只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行。太阳帆代表了人类未来太空飞行的技术，如果这次试验能够成功，它将为开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步，可以相信，人类未来完全可以利用太阳帆从事深空探索，并给人类的太空旅行带来一场新的革命。因此，“宇宙一号”的命运不仅关系到未来星际航行中能源系统的建设，也将关系到人们对研制开发太阳帆的态度。