划船不用桨,扬帆不用浪,这艘神奇的太空船究竟靠啥飞

2019年8月25日03时00分内容来源:果壳网

6月25日,重型猎鹰迎来第三次发射。这枚重型火箭的近地轨道运载能力高达64吨, 但这一次,火箭上搭载的很多是“小朋友”,主载荷包含了25颗小卫星,搭便车的也同样袖珍。


猎鹰重型火箭的第3次发射 |行星学会


在这群“小朋友”中,有一位婴儿般的乘客——光帆2号它重量只有10斤(5千克),身高不到半米(48.7厘米),仅有巴掌那么宽(11.3×11.3厘米)。


看似小不点的它,在太空却如同蜘蛛一般,吐“丝”织“网”,变成一个魔毯巨人。这张魔毯长宽各5.6米,面积达32平方米。而魔毯的厚度,却比人头发丝还要细,只有4.5微米。


光帆2号打开太阳帆的示意视频 | 行星学会


在化石燃料肆虐海陆空天的当今,一群人另辟蹊径,动起了风帆时代的念头。光帆2号自身不携带燃料,它张开魔毯,在太空中,静等“风”来。


不过,太空是极其稀薄的存在,并没有我们所熟悉的风。那么,光帆2号是如何在太空中飞行的呢?


看,“光帆2号”就这么小 | Planetary Society


御光而行的梦想


早在400年前,扬帆遨游太空的梦想就已经萌发。一位年轻人,对彗星长长的尾巴充满好奇——既然太阳能够强劲地吹动彗星,那么,


“Provide ships or sails adapted to the heavenly breezes, and there will be some who will brave even that void.”


倘若有船或帆能驾驭这天堂的气息,必将有勇士敢于扬帆遨游天际。

——开普勒


然而,受限于那个年代的科学背景,开普勒并没能成为这样的勇士,但他提出的行星运行三大定律,成为天文学重要的基石。


苏联《五角星报》上假象的未来太阳光帆 | Five Corners newspaper


为什么太阳光有这样巨大的威力呢?在随后300年的时间里,包括牛顿在内的许多人,为了光的本质而争论不休。


光,究竟是微粒,还是波?


最终给出答案的,是爱因斯坦。他提出了光子的概念,而光的本质,既是微粒,也是电磁波,即波粒二象性。19年后,德布罗意提交了自己的博士论文,升华了这个理念,指出万物皆是波粒二象性。


根据物理学理论,光子没有静质量,但具有一定的动量,可以将动量传递给其他物体。大家最熟悉的动量传递,莫过于打桌球了。而在太空中,飞向深空的探测器往往需要借助行星引力弹弓效应,这同样是利用了行星的动量。


当太阳光的光子撞上太阳帆,航天器就可以获得光子的动量。虽然单个光子的动量很小,但只要收集到足够多光子的动量,就可以扬帆远航了。因此,光帆需要足够大的面积。


光帆2号的想象图 |行星学会


早期的尝试和挫败


早在人类航天伊始,NASA在1960年和1964年,就分别放飞过两个大约30米直径的巨型气球卫星,用于实验远距离短波通信。这些气球又轻又大,人们发现太阳光可以轻易地移动这两个气球。


NASA的巨型气球,注意下方人的大小 | NASA


由此看来,大而轻的飞行器可以利用太阳光的动量。不过,仅仅收集到太阳光子的动量是不够的,我们还需要用合适的方式来利用这些动量。科学家想到的第一点是——太空风车


早期的很多航天器是自旋稳定的,这种被动稳定的方式使外界不能轻易影响航天器的状态,如同陀螺一般。那如何让航天器开始稳定自旋呢?工程师想到了太阳,如果太阳光子能像吹风车一样吹动航天器,那就可以持续维持自旋稳定了。


1964年,水手4号发射升空,这艘探测器设计了十字形的太阳帆板,每个太阳帆板的末端,加装了一片“风车叶片”。这样,当探测器控制自身旋转的燃料耗尽后,“吹”动探测器的任务交给了太阳,太阳光子撞击到“风车叶片”上,使得“风车”继续自旋。


水手4号,注意太阳能板末端的叶片 | NASA


有了这次成功的经验,雄心勃勃的工程师想搞一个大的——1982年环绕哈雷彗星


哈雷彗星飞行方向与地球相反,相对速度高达70千米/秒。用这个速度跑完京沪高铁,只需要19秒!探测器如果想要环绕哈雷彗星,就需要耗费巨大的能量刹车,再反向加速。


这时,他们想到了光帆。尽管光帆的变速能力有限,但可以长年累月地变速,最终累积出巨大的速度变化。根据设计方案,探测器将装有12片巨型光帆,每片光帆长达6千米


如此冒进的做法,最终因为经费缺乏和时间不足而告吹,NASA的哈雷彗星之旅也未能成行。苏联、欧洲和日本当时都发射了自己的哈雷彗星探测器,不过,所有人都没有选择挑战性极大的环绕。


未能成行的NASA哈雷彗星探测器,周围是巨大的光帆条 | NASA


不过,这项技术并没有被人遗忘。美国行星学会(Planetary Society)吸收了太阳光帆的科研人员,学会联合创始人、著名的天文学家、科幻作家卡尔萨根也曾热心介绍和推动光帆技术。但是,由于缺乏资金,应用光帆独立飞行的技术验证迟迟无法开展。


1999年,俄国工程师带来了一个好到难以让人拒绝的消息—— 一次免费的发射,以及低成本的卫星方案。这得益于俄国人过去的技术积累,以及当时开拓新市场的想法。


这次免费的发射方式也非常特别,发射场是冷战时期美苏对峙的重器——战略核潜艇。只不过,通过核潜艇发射的,是火箭,而不再是携带核弹头的洲际导弹。


Volna潜射火箭平台,发射载具为Delta III战略核潜艇,图为吊装潜射火箭 |行星学会


负责设计和建造第一艘专职太阳光帆卫星的,是俄国的拉沃契金设计局。这家单位曾经在月球探测上创造了众多的辉煌。


宇宙1号太阳光帆卫星,上方多块长方体即为光帆 | 拉沃契金设计局


可惜的是,2005年6月21日,运载宇宙1号的火(dao)箭(dan)在发射82秒后失败,人类的第一颗太阳光帆航天器就此失利。


人们并没有因为此次而放弃这一想法,相反,更多机构和个人开始关注和支持太阳光帆,并为这一想法提供支持。


2010年5月21日,日本宇航机构JAXA成功将IKAROS送入太空,它的全称是小型太阳驱动的星际风筝航天器。这个“小型”航天器足有一人高,展开后的光帆面积高达196平方米,成为了首个利用太阳光帆飞行的航天器。


半年后,IKAROS飞掠金星,在途中成功测试了光帆的加速和姿态控制能力,然后向着太阳系深处飞去。


IKAROS 的想象图,左下为金星,右下为地球 | JAXA


光帆2号之路


首次成功就实现了飞掠金星,使得更多人开始重视太阳光帆技术。


随着微小卫星技术的成熟,低成本的微小卫星成为了更多人验证光帆技术的方式。除了成本低,微小卫星体积小、重量轻,也更能发挥太阳光帆的效果。


于是乎,袖珍的“光帆”系列应运而生。


光帆2号在火箭上的搭车方式 |行星学会


行星学会的光帆1号卫星很快就做好了,但很难等到合适的发射机遇。


绝大多数卫星聚集在400千米以内的低地球轨道上,这里仍有极为稀薄的大气,会严重阻碍光帆的运行。因此,光帆1号的设计轨道高度在800千米以上。但前往这一轨道的顺风车,实在是太少了。


这一等就是3年,直到2015年,光帆1号才终于搭车升空


上天后,也并非一帆风顺。光帆1号先后遇到了通信失联、光帆打开失败、电池工作异常的问题,经过两周的努力,光帆1号终于成功扬帆。不过,光帆1号开帆在轨时间极短,扬帆而没能御光飞行。


光帆2号打开光帆的实拍动图 |行星学会


验证飞行能力的重任,落在了本文开头提到的光帆2号的身上。


升空一个月后,光帆2号于7月23日成功打开了光帆。一周后,即7月31日,行星学会宣布,完全凭借阳光的力量,太阳帆在短短4天内,就将光帆2号的轨道远地点抬升了1.7千米


至此,光帆2号实验取得了圆满的成功


光帆2号仍在御光飞行,它的轨道远地点也越来越高。截至8月20日,远地点高度已经比开帆前抬升了超过5千米。


与此同时,光帆2号轨道近地点的高度也在相应地下降。根据实验设计,阳光的推力会让轨道变得越来越扁,最终大约在1年之后,完成任务的光帆2号将重新坠回地球大气层。


光帆2号结构图 |行星学会/本文作者汉化


未来扬帆远航


虽然受到地球引力的束缚而无法真正扬帆远航,但光帆2号已经成功验证了御光飞行的技术。那么话说回来,光帆究竟有哪些引人入胜的优势呢?


最重要的一点在于,光帆航天器完全由太阳驱动,可能会引发航天器的一次深刻的变化。


  • 首先,光帆航天器理论上可以无限期利用光帆变速,而现有的航天器的主要速度来源于火箭的动力,在后期缺乏高机动性。因此光帆航天器可以实现比现有航天器更快的速度更复杂的路线

  • 其次,光帆航天器可以摆脱对于燃料的依赖,实现超长寿命,只要航天器没有报废,就可以一直工作下去,比核动力航天器的理论使用年限还要久远的多

  • 再者,由于燃料是大多数航天器的主要重量和体积,而光帆航天器不需要携带燃料,因此光帆航天器能将更多的资源用于科学研究、物质运输等方面。


诸多的优势使得光帆航天器可以在未来大显身手,而目前限制光帆航天器的原因主要有两个:成本和技术成熟度。为此,我们反而需要更多的光帆。


作为美国最早开展光帆研究的机构之一,行星学会将协助NASA开展月球轨道光帆航天器,没有大气层的干扰,光帆航天器可以在月球大显身手。


OKEANOS探测计划 | JAXA


太阳光帆航天器的领头羊JAXA,则提出了更富有挑战性的目标。他们计划在2025年前后,发射巨型太阳光帆探测器OKEANOS,光帆面积将达到1600平方米,前往探测木星轨道的特洛伊群小行星。


太阳光帆航天器的故事才刚刚开始。也许在未来,会出现400年前的开普勒所畅想的那样,人类在太空中扬帆起航,遨游于太阳系中。


而这种太空船的设计师,没准就是本文的读者之一呢。


作者:鸑鷟鹓鶵

编辑:Steed


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