用阳光推动航天器 太阳光如何为航天器提供推力?

来源： 科技日报

“光帆2号”是个5公斤重的立方体卫星。6月25日，它从肯尼迪航天中心搭乘美国太空探索技术公司(SpaceX)的“猎鹰重型”火箭发射升空。7月2日，“光帆2号”探测器顺利进入预定轨道，成为全球首个纯太阳动力地球卫星。7月23日，“光帆2号”成功展开光帆，仅仅依靠阳光提供推力，在4天时间里，其轨道高度提升约2公里。

驭光而行的想法由来已久

事实上，光帆的概念早在上个世纪20年代就已经出现了，最初的设想是单纯利用太空中取之不尽的免费能源——太阳能，为宇宙飞船提供动力。但在随后的很多年，光帆的概念只出现在科幻小说中，直到1959年才出现了第一篇关于光帆的学术论文。上个世纪50年代，美国国家航空航天局(NASA)开始着手研究光帆，但由于美苏航天竞争和载人登月计划，光帆技术的研究在60年代几乎停滞。直到70年代NASA喷气推进实验室(JPL)的研究人员计划发射一枚以光帆为推进器的航天器去实现与哈雷彗星的“会合”，在当时其他技术几乎是不可能实现的，所以该项目很快获得了NASA的立项。虽然最终由于技术限制和电推进方案的竞争该项目被放弃了，但这是人类第一次尝试利用光帆来进行空间探测。此次“光帆2号”既是第一个在地球轨道上使用光帆推进的航天器，也是继日本IKAROS任务之后，第二艘成功使用光帆的航天器。

那么，太阳光怎样为航天器提供推力呢?

“光帆表面覆盖着能够反射太阳光的金属薄膜。”清华大学航天航空学院副教授龚胜平谈到，光子既有能量，又有动量，从动量的角度解释太阳光压力更好理解，光子撞击光帆表面的金属镀层时被反射，与光帆产生动量交换，从而给了航天器飞行的动力。

不同形态的光帆各有优点

龚胜平描绘了“光帆2号”的“出航”过程：最开始它以一个被“打包”的收缩状态放在卫星中，进入太空后展开，利用光压进行轨道攀升。

“光帆的形态分为两种，一种是自旋型，姿态自旋稳定;另一种是支撑型，姿态三轴稳定。”龚胜平表示，它们各有优劣，自旋展开方式不需要支撑结构，结构简单，且没有支撑结构可以获得更大面质比，但航天器自旋需要消耗一定能量，同时，改变光帆的姿态(帆面的空间指向)比较困难，而三轴稳定型则相反。“光帆2号”就属于支撑型，此前日本的IKAROS属于自旋型。

由于光帆的动力来源于太阳光，且光压强度与太阳距离平方成反比，当它在远离太阳时，其加速性能将大大减弱。因此，光帆在离太阳更近的空间探测任务中具有更大的优势。但也可以利用光帆的持续加速特性探测距离太阳较远的空间，这就要求在光压力变得很小之前利用光压力将光帆加速到很大的速度。

“面积为1平方公里的光帆受到的作用力大概只有9牛顿。”龚胜平表示。目前，光帆表面覆盖的金属镀层的材质几乎都是铝，它对太阳光的利用率接近90%，虽然光压力很小，但是如果我们能够将光帆制作得足够轻，使它的面质比足够大，依然可以获得较大的光压加速度。

“如‘突破摄星计划’提出的面密度为0.2克/平方米的光帆在地球附近的光压加速度可以超过0.04米/秒2。”龚胜平表示。

未来激光驱动将飞得更远

2016年，霍金在微博中提出了“突破摄星计划”。该计划旨在研发出一台“纳米飞行器”，由激光阵列驱动它达到五分之一光速，在发射后20年左右到达半人马座阿尔法星系统，并发送回来那里的行星图片。

龚胜平表示：“这个计划目前只是一个设想。在这个设想中，整个航天器质量只能有3.6克，光帆帆膜厚度约为1000纳米，还要求推动它的激光光强达到200吉瓦，而这相当于几千个三峡大坝的发电功率。”

光帆的最大优势是航天器不需要携带燃料，理论上可以一直在太空飞行直到材料失效。因此，可以完成一些传统航天器难以实现的高能量、长时间任务。

“不过，光帆目前的研究还处在一个验证阶段。”龚胜平表示，本次“光帆2号”则是验证性地完成了利用伸缩杆展开、三轴稳定姿态控制、利用光压力进行轨道攀升等技术。

“在不久的将来，随着光帆技术的进一步成熟，它还有更广泛的应用。”龚胜平表示。比如2020年，NASA的“近地小行星侦察机”(NEA Scout)任务将搭载光帆探测小行星。

实习生 林文慧 本报记者 徐 玢

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