借力太阳风，在星际间旅行 ：空间帆船将启航

借力太阳风，在星际间旅行 ：航天帆船将启航

By Larry Greenemeier

      进入深空，我们如何驱动太空船？NASA在30年前发射的旅行者1号，现在已经距离地球100亿英里（160亿公里），它使用的动力源自发射时火箭产生的动力，以及在经过行星时利用的行星引力。旅行者1号目前以每秒10.6英里（17.1公里）的速度飞向太阳系边缘。旅行者1号用了30年的时间才达到现在的位置，2025年之后它将消耗光所携带的放射性元素温差电池(简称RTG,可以将放射性元素比如环产生的热能转化为电能)产生的动力，因此科学仪器和发射信号装置都将停止工作，此时它恰好越过太阳系边缘，悄无声息地飞向茫茫宇宙。故而，任何更深空的宇宙探索都需要寻找技术途径来加速航天器，以便在放射性能源耗尽之前到达星系边缘。

       许多人相信，答案在于利用太阳能来加速航天器。航天器逃离地球大气层后利用太阳能能进行长程加速，因此可以更快地到达深空。在太阳的作用下，航天器能获得比旅行者1号更快的巡航速度，在数十年的RTG或者其他电池的使用寿命中，航天器上的科学仪器和与地球联系的信号发射装置可以更好为人类工作。今夏，NASA将进行一项新的太阳帆实验，利用太阳光进行加速。在芬兰气象研究所的一位科学家正在对各种类型的太阳帆进行改良。在太阳风，也就是从太阳发射出的带电粒子流的“吹拂”下，太阳帆将给航天器带来比旅行者1号近乎快1倍的速度(每秒18.6英里/30公里)。

      太阳帆的概念提出要追溯到16世纪，德国天文学家Johannes Kepler（开普勒）首先提出利用太阳能驱动物体在星际旅行。现今已有3种主要的太阳帆：太阳驱动（NASA计划测试的类型），电驱动（正在芬兰开发）和磁驱动（1980年代很时髦如今也不算太过时）。

     在阿拉巴马州Huntsville的NASA Marshall空间飞行中心，和在加利福尼亚州Moffett的Ames研究中心的科学家们在计划在一周内测试他们的太阳帆，他们将使用加州Hawthorne的空间探索技术（SpaceX）研究所开发的猎鹰1号火箭将太阳帆发射升空。NASA说，即将开始为期2周的任务飞行的10磅（4.5千克）重的NanoSail-D型太阳帆，将是迄今为止第一个在太空中完整展开且使用以太阳能作为飞行或轨道运动的主要动力的太阳帆。

     NanoSail-D结束飞行任务三年后，将有另外一个太阳帆发射升空，它由位于加州Pasadena的非营利性组织行星社(The Planetary Society)制造。该组织正在为Cosmos2号设计电驱动、太阳能阵列和太阳帆发动机，并且采用类似将航天员和旅客送入太空的技术，用俄国Soyuz–Fregat火箭将之发射升空。Cosmos1号太阳帆已于2005年用Volna俄国火箭发射升空（历经5年研发和2001年的一次失败发射）。然而，水下发射的Volna火箭发生故障故而并未将Cosmos1号送入预计轨道，因此该太阳帆从未展开以实现推动。

    行星社执行官Louis Friedman告诫道，太阳帆必须发射升空才能进行实验，因为在地球大气中不存在太阳风。俄国和日本已经实验了一些类似空间帆的技术，但是因为这些实验都是在俄国Mir空间站附近或者在亚轨道飞行中进行，“它们实际上不是太阳帆”，Friedman坦言。

     与此同时，赫尔辛基芬兰气象研究所的研究员Pekka Janhunen设计开发了一种电驱动空间帆，该空间帆使用太阳风作为主要推动力，因此不需要燃料或者助推剂。据Janhunen介绍，这种空间帆由多达100根铝或铜合金线组成——每根大概12.4英里（20公里）长，直径为20微米，这些线都绕在一个轮轴上因此可以调节线的长度。金属线产生的电荷与太阳风中的等离子作用后产生动能。Janhunen说，采用该电驱动帆作为动力，440磅（200千克）重的航天器从地球飞到冥王星所需时间少于5年。

     现在估算制造一个电驱动帆的费用还为之过早，Janhunen提醒道，需要注意的是，制造使用电驱动帆的飞行器将会比现有的飞行器便宜4倍，因为它的重量会更轻并且只需要携带足够飞出大气层的燃料便可。而要想在空间中提高助推力，只需要给太阳帆增加更多的金属线或者释放更长的金属线。

     Janhunen的工作目前已经从图纸设计转到实验室制备，他希望能在三年内制造出一台原型机，然后将之发射升空以实验由电驱动帆产生的助推力。如果他的理论是正确的（且他可以使用很长的带电导线以更好利用太阳风），他和他的同事需要更长的时间来制造将金属线安装成帆的形状的设备，以及实验这种设备推动某些空间飞行器的能力。

     磁驱动空间帆同样依赖太阳帆产生动能。Robert Zubrin在加州Lakewood拥有两家太空技术公司(Mars Society & Pioneer Astronautics)，Dana Andrews担任西雅图Andrews Space公司的首席技术官，他们二人在1980年期间考虑用磁驱动空间帆来改进太阳帆设计。与上述提到的设计不同之处在于，他们的设计不依赖利用太阳光，而是利用太阳风中的等离子流(每秒310英里/500公里)作为助推动力。

     众所周之，等离子流碰到磁场会发生偏离。Zubrin和Andrews 提出在航天器外围设置一个磁场，这个磁场像一个水泡一样把航天器包裹其中，太阳风中的等离子流碰到磁泡的时候发生偏离，产生的反作用力推动航天器加速。然而，这其中有一个难以克服的技术难题：用于产生磁泡的超导线目前尚未开发出来。（这个项目因为其概念的新颖性从NASA研究所拿到了一些经费，但是去年该组织已经闭门谢客。）“磁驱动帆是个需要技术化的概念，”Zubrin坦言。

     欧洲航天局研究了磁驱动帆概念，意图在将人类送入火星的航天器上使用，但是最终他们也得到了和Zubrin一样的结论。

     不言而喻的是，一旦飞出太阳光笼罩的范围，这些空间帆无一例外均失去作用。飞行器距离太阳370亿英里（600亿公里）后，“太阳风变得很细微乃至消失，”Janhunen说。此时，他设想他的电驱动空间帆从航天器上剥离，因此航天器依靠惯性动力可以飞出太阳系，然后开启核能装置（类似旅行者1号）为它提供动力。

     制造一个成功的空间帆带来的好处是可以在无需推进剂的情况下加速航天器。“这种技术将允许人类以难以置信的速度飞越漫长的距离”，行星社的Friedman说。“这是迄今为止人类所知道的唯一能将人类送往其他遥远星球的办法。”