“天帆一號”太陽帆
12月27日夜間，“長征五號”遙三運載火箭發(fā)射成功，標志著中國航天跨越了一項關(guān)鍵的里程碑。但很多人不了解的是，就在“胖五”成功發(fā)射的前一天，中國航天還宣布達成了另一項關(guān)鍵成就，戰(zhàn)略意義不亞于“胖五”的成功。
中科院沈陽自動化所在12月26日宣布，該所研制的“天帆一號”太陽帆，搭載長沙天儀研究院的“瀟湘一號07”衛(wèi)星（8月31日搭載“快舟一號甲”型火箭在酒泉成功發(fā)射），在軌成功驗證了多項太陽帆關(guān)鍵技術(shù)。
“天帆一號”展開的示意圖
太陽帆技術(shù)——駛向星辰大海的風(fēng)帆
“天帆一號”太陽帆進行第一次在軌技術(shù)試驗，標志著中國正式涉足這個關(guān)鍵航天技術(shù)領(lǐng)域?！盀t湘一號07”衛(wèi)星，是一顆重量僅有2千克的微小衛(wèi)星，但它驗證的“天帆一號”太陽帆，卻代表未來太空飛行的一項核心技術(shù)。
現(xiàn)有的太空飛行，仍以化學(xué)火箭為主流推進方式，離子火箭也在發(fā)展。但這兩種推進方式都有嚴重弱點，化學(xué)火箭需要大量的燃料，無力進行長期飛行，離子火箭則推力微小，目前僅能用于衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整。然而，太陽帆卻提供了另一種可能——可實現(xiàn)長期太空飛行，而且能達成理論上的極高速度。
太陽帆，顧名思義，就是依靠太陽光的“光壓”推動航天器的“帆”實現(xiàn)宇宙飛行。太陽的光壓看似力量不大，但卻能持續(xù)作用于“太陽帆”，使航天器獲得不間斷的加速度。此外，太陽還會不斷吹出大量帶電粒子流，即“太陽風(fēng)”，加大對太陽帆的光壓推力。
太陽帆飛船
在地球到太陽的距離上，正常太陽光在一平方米太陽帆上產(chǎn)生的推力等于0.9達因（令1克的物體產(chǎn)生1厘米/秒^2的加速度的力為1達因），不到一只螞蟻的重量。但如果太陽帆制作的足夠大，直徑增加到300米，面積則為70686平方米，那么光壓提供的推力就可達0.034噸。提供的加速度就可使0.5噸的航天器在200多天內(nèi)飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000米，那么光壓提供的1.5噸推力就能推動20噸的航天器在400天內(nèi)送到火星。
太陽帆的另一個優(yōu)勢，就是飛行距離越遠，速度越快。以木星為例，太陽帆飛船理論上最快在2年內(nèi)就可以飛抵，土星的話也只要3.3年，天王星是5.8年，海王星是8.5年，速度比從前的“旅行者2號”快得多。
這種推進技術(shù)提供的未來展望，對行星際宇宙飛行是極具吸引力的。太陽帆的可使用范圍，幾乎遍及太陽系各個角落，從太陽附近一直遠至海王星外的彗星云。有分析指出，未來地球和火星之間的旅行，太陽帆將成為核心推進方式。
日本“伊卡洛斯”號太陽帆試驗飛船
美俄日歐都雖已研制太陽帆多年，但中國已能平起平坐
從上世紀起，西方和俄羅斯都展開了太陽帆的研究，并在光帆材料和空間展開等技術(shù)上進行了大量試驗。
人類最早進入太空的太陽帆，是2001年和2004年美國聯(lián)合俄羅斯試驗的“宇宙一號”，但兩次試驗都遭到失敗。2004年8月，日本也首次試驗了自己的原始太陽帆，但僅僅是測試部署機制，并沒有試驗推進技術(shù)。
2010年5月21日，日本航空航天局發(fā)射了第一顆真正的太陽帆飛船——“伊卡洛斯”號（起飛重量315千克）。這艘飛船在飛往金星的途中，進行了空間展開和操控試驗，并首次實現(xiàn)了太陽光壓的推力試驗。經(jīng)過六個月推進試驗，太陽帆最終實現(xiàn)了100米/秒的速度增量。
“伊卡洛斯”號的太陽帆展開
“伊卡洛斯”號采用了一個對角旋轉(zhuǎn)的方形帆，尺寸為14x14米（196平方米），由厚度為7.5微米的聚酰亞胺薄片制成。這種聚酰亞胺薄片的質(zhì)量僅有每平方米10克。太陽帆內(nèi)部還嵌有薄膜太陽能電池。
同年11月19日，美國也成功了發(fā)射第一個太陽帆——“納米帆D2”。航天器重量不到4.5千克，太陽帆尺寸只有9.3平方米。美國方面稱，太陽帆在試驗期間作為被動脫軌裝置的使用產(chǎn)生了“大量數(shù)據(jù)”。
目前，美國、日本、俄羅斯和歐洲已展開多個太陽帆相關(guān)的開發(fā)項目，但成功次數(shù)寥寥無幾，整體上還處于起步階段。從效果來看，多年前的日本的“伊卡洛斯”號仍是最為成功的一個。
“瀟湘一號07”衛(wèi)星
太陽帆存在著多個技術(shù)難點：首先，太陽帆的制作需要極輕質(zhì)的特殊材料，而且要能高效地將光壓轉(zhuǎn)化為動能，而不是熱能；其次，需要攻克太陽帆的空間展開技術(shù)，要將折疊收縮于幾公斤小盒子內(nèi)的太陽帆，充分展開為幾十平米甚至幾百平米的完整狀態(tài)；另外，太陽帆的空間姿態(tài)控制也是極為重要的，選擇準確的角度以獲得最大的“迎風(fēng)”效率。
中國的“天帆一號”太陽帆，在技術(shù)上也屬于初期的起步狀態(tài)，但這是“從零到一”的關(guān)鍵一步。邁開了這第一步，標志著我國在這一領(lǐng)域已經(jīng)基本和西方“平起平坐”了。（作者：陶慕劍）
