“光帆2号”利用太阳帆成功变轨：在太空中驭光而行不是梦
▲ 光帆2号小卫星自拍在预定轨道上展开的聚酯薄膜太阳帆
近日，美国行星学会宣布，他们在6月发射的光帆2号小卫星已经成功验证了利用太阳帆来改变轨道的能力。在不用燃料的情况下，“光帆2号”依靠其在轨道上展开的32平方米的太阳帆，在4天的时间里将轨道远地点升高了1.7公里。
“光帆2号"是如何做到驭光而行的?它从诞生到成功经历了怎样的坎?目前太阳帆还有哪些问题亟待解决?
乘光前行的原理
大家经常可以在海面上看到帆船，对于帆船航行的原理，大家一定不陌生。那就是利用海风吹拂在船帆上生成的气压，获得帆船前进的动力。通过控制风帆的旋转角度，帆船甚至可以逆风而行。
太阳帆所运用的原理也与帆船航行的原理类似。太阳也有风，即从太阳外层大气不断发射出来的稳定离子流，但太阳帆利用的并不是太阳风，而是推动力比太阳风还要大1000多倍的太阳光。
光是由光子构成，当光子撞击到光滑的平面时，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。我们之所以感觉不到任何阳光的压力，那是因为它实在太过微小。在地球到太阳的距离上，太阳光在1平方公里面积的帆面上所产生的推力只有9牛顿。
关于光有压力的探索可以一直追溯到1619年，当时著名天文学家开普勒就猜测彗星的尾巴之所以背向太阳，是因为存在一种太阳风将其吹开。现在知道导致彗尾背向太阳的原因主要是阳光的压力，所以开普勒的猜想可以作为第一个牵涉到光压领域的论述。然而，太阳帆这一概念直到上世纪20年代才明晰起来。
1924年，航天先驱齐奥尔科夫斯基和同事灿德尔明确提出用照在很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力能够获得宇宙速度的论断。正是灿德尔提出的太阳帆概念，成为了今天建造太阳帆的基础。
由于太阳光压产生的推力很小，所以基于太阳帆的航天器不能从地面起飞。太空中运行的航天器处于失重状态，再加上没有空气阻力，所以轻微的太阳光压就可以让它加速，使得太阳帆不需要携带燃料就可以推动航天器不断加速。来自太阳的光线提供了无穷无尽的推动力，理论上能够使装有大型太阳帆的航天器最终达到24万公里/小时的速度。太阳帆甚至可以成为目前唯一可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器概念。
坚持不懈的探索
虽然太阳帆最早构想比人类第一枚火箭成功发射还要早很多年，但它的发展却不那么一帆风顺。尤其是“光帆2号”及其背后的美国行星学会，可是有着一段曲折前行、不断探索的艰难历程。这一切得从毕生致力于推动太阳帆发展的美国科学家弗里德曼说起。
1976年，弗里德曼就职于美国宇航局喷气推进实验室时，就曾提出利用一个64万平方米的巨帆飞向哈雷彗星进行探测的思路。然而，美国宇航局认为此举太过冒险而没有采纳。他后来离开美国宇航局，并和著名的天文学家、科普作家卡尔·萨根一起组建了美国行星学会，致力于建造并发射人类的第一个光帆。
最初，行星学会投资了400万美元，由俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金科学生产联合体负责建造人类的第一个太阳帆“宇宙1号”。经过一再推迟之后，在2001年7月20日，“宇宙1号”从一艘俄罗斯核潜艇上发射升空，进行亚轨道飞行展开试验，但由于太阳帆没能与运载火箭的第三子级分离而坠毁。
在第一个“宇宙1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1号”。工程师们花费了3年的时间专门对太阳帆进行改装和完善。新的“宇宙1号”比原来的“宇宙1号”在设计上更大，由8个15米长的超薄三角形聚酯薄膜帆组成，总面积达600多平方米，总重量为50公斤。
2005年6月21日，新的“宇宙1号”乘坐波浪号运载火箭从位于巴伦支海的俄罗斯潜艇K-496上发射，直接进行入轨试验。然而，发射后它与地球失去了联络，因而试验失败。
2009年，行星学会接手美国宇航局的“纳帆-D计划”，在其基础上研制了基于立方星技术的“光帆1号”。2015年5月20日，“光帆1号”搭乘宇宙神-5火箭发射升空。“光帆1号”入轨后展开了32平方米的太阳帆，测试了太阳光压的推力效果以及姿态控制和通信技术，但由于轨道高度较低，从太阳光中获取的动力未能克服地球大气的阻力。其间，“光帆1号”还曾出现故障，不再向地面发送数据。经过8天的抢救后，才与地面恢复了联系。
2019年6月25日，“光帆2号”搭乘猎鹰重型火箭进入了离地面700公里以上的轨道高度。“光帆2号”于7月23日展开银色太阳帆，经地面人员优化调整朝向后开始提升轨道。迄今为止，科研人员观测到“光帆2号”的轨道提升速度是每天两三百米到900米，已经超过了事先的预测。
▲ 光帆1号小卫星展开太阳帆示意图
“光帆2号”项目耗资700万美元，主要依靠来自100多个国家和地区的大约5万名行星学会会员，以及基金会和企业捐赠得来。“光帆2号”任务的成功可以说是完成了行星学会创办者多年来的夙愿。
尚需破解的难题
实际上，在行星学会不懈坚持的同时，很多国家也都在开展相关的研究。日本宇宙航空研究开发机构的动作尤其迅速，在2004年进行了170公里高空太阳帆亚轨道展开试验，在2010年发射太阳帆飞船——“伊卡洛斯号”进行了太空飞行试验。
太阳帆主要是由反射薄膜、支撑结构、太阳帆展开组件等组成。为了减轻飞行器的重量，增大受光面积，需要采用超薄和大面积的太阳帆面。
目前，太阳帆面主要采用的材料是聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜。为增加太阳光的反射率，通常还需要在薄膜表面蒸镀一层很薄的铝膜。太阳帆的展开要求支撑机构具有适当的强度和刚度，同时还要尽量地轻质。目前，科研人员一般会采用碳纤维复合材料作为支撑架，在太阳帆展开前，支撑机构要能够折叠或卷曲收藏。
目前，行星学会的研究重点已经落在了太阳帆材料之上。为使航天器获得更大的加速度，减轻太阳帆承力结构的有效载荷，使太阳帆面的展开更加容易和安全，研制更加轻质的太阳帆材料已经成为太阳帆航天器发展的核心问题。
另外，太阳帆除了轻质以外，其材料还必须具有优异的空间稳定性，耐高低温性能，优良的综合力学强度，以及易于成形和大面积制备等特点。
总之，人类的航天梦想从来都不是一蹴而就的，太阳帆的发展历程再次印证了这一点。从中我们也能看到，只要不懈努力，梦想就一定能“驭光而行”。
作者：李宇飞
编辑：储舒婷 陈曦（实习生）
责任编辑：许琦敏
来源：中国航天报