突破摄星是利用激光轰击太阳帆推进，帆面直径超过300米，探测器只有1厘米大小，仅1克重量，利用大功率激光照射推进，计划在20年内加速到15%至20%的光速。从2016年至今，也已经3年时间过去了，那么太阳帆技术已经发展到什么程度？霍金生前梦想是否能够实现呢？

出品：太空伊卡洛斯

2016年4月，俄罗斯风投资本家尤里-米尔纳与物理学家霍金联合宣布一项名为突破摄星的计划，尤里-米尔纳出资1亿美元资金启动，研发可前往半人马座阿尔法星的航天器，预计花费20年的时间研发成功，第一艘飞船在2036年升空。根据工程设想，突破摄星的计划下的航天器动力采用激光帆推进，由地球上直射出强功率激光，精确并持续击中航天器上的反射帆面，利用激光推动，预测速度可达到15%至20%的光速。该理论是太阳帆技术的升级版，直接采用地面激光照射推动，大大提升了航行效率。从2016年至今，也已经3年时间过去了，那么太阳帆技术已经发展到什么程度？霍金生前梦想是否能够实现呢？

图注：太阳帆与古代大海航行使用的风帆原理相似

图注：霍金设想的激光推进太阳帆原理

行星协会小步快跑

在太阳帆研发领域，日本和美国处于领跑位置，日本在2010年发射了IKAROS太阳帆验证航天器，成为第一个实现行星际飞行的太阳帆飞船，完成对金星的飞掠。美国行星协会研发的LightSail 2航天器在2019年6月升空，任务时长为1年，也是利用太阳光压作为动力，目前已经处于700多公里高度的轨道上。与IKAROS太阳帆验证航天器不同的是，LightSail 2航天器任务设计在近地轨道上，并非进行行星际航行。

图注：LightSail 2航天器地面展开

今年8月1日，行星协会宣布LightSail 2航天器在4天内提升了2公里的轨道高度，全程依靠太阳光压作为动力，这不仅说明太阳帆理论是正确的，而且具备实际操作能力，即便在近地轨道上也可以利用光压进行飞行。

图注：LightSail 2航天器基本参数

LightSail 2只有32平方米的帆面，效果已经如此显著，更不用说将来更大的激光帆面所带来的速度提升。LightSail 2航天器基本验证了有光就能航行的理论，加上IKAROS航天器的成就，我们已经具备在太阳系内进行太阳帆飞行的能力，标志着太阳帆从理论进入工程实施、并逐渐成熟阶段。

光压理论与帆面技术

太阳帆使用太阳辐射压力推动航天器前进，涉及到的是动量守恒原理。由于辐射压力大部分情况下不被关注，因此在早期航天活动中经常被忽视，即便是NASA也在辐射压力方面犯了严重错误，忽略了太阳辐射压力对火星探测器的影响，导致火星探测器偏离轨道1.5万公里。在太阳系内，太阳辐射压力处于较为显著的地位，随着时间的拉长，太阳辐射压力效果就会体现出来。

图注：太阳帆基本原理

太阳帆技术最核心的当然是帆面材料，由于光压基本是确定的，距离太阳越近，那么辐射压力越大，举个例子，在水星轨道附近的辐射压力必然大于在火星轨道附近的辐射压力，每平方米倍数可相差20倍。换句话说，水星轨道附近的每平方米太阳辐射压力是火星的20倍左右，两者相差了将近1个天文单元。随着与恒星距离拉长，光辐射压力也逐渐降低，如果航天器抵达另一颗恒星附近，可通过改变太阳帆角度实现逆光航行，这与大海上逆风行驶的帆船原理是一样的，在逆风的时候，帆船通过之字形航线进行前进。同理，太阳帆飞船可以通过之字形航迹前进。

要想获得更快的速度，就要加大帆面和降低帆面质量。目前最常见的帆面材料为聚合物，比如LightSail 2航天器上使用聚酯薄膜作为帆面材料，表面上则镀上一层金属材料，增强反射性能。不过随着材料技术的进步，聚酯薄膜材料也不算最先进的，只能说是性价比比较高的，因为聚脂薄膜的单位质量太大，以5微米厚的聚脂薄膜为例，每平方米质量为7克，如果是新型碳纤维材料，每平方米质量还小于3克。表面镀的金属物质可以是铝、也可以是锂、镁等金属，或者采用多金属合金。由此可见，帆面技术正在不断前进，向轻量级方向发展，面积更大，可达到数十至上百方平米。

图注：LightSail 2航天器轨道展开太阳帆

距离霍金生前梦想又进一步

霍金生前梦想是利用激光轰击太阳帆推进，帆面直径超过300米，探测器只有1厘米大小，仅1克重量，利用大功率激光照射推进，计划在20年内加速到15%至20%的光速。该计划涉及三个核心要素，第一个是大功率激光，这一点技术比较成熟，NASA也验证过地月间的激光精确指向技术；第二个帆面，聚脂薄膜轻质帆面目前也能用，但为了追求更好的效果，需要新型碳纤维材料的帆面，该技术已经存在，但要工程化、生产出产品，还需要时间；第三，迷你航天器，质量为亚克级，搭载一台迷你相机，设计到的技术较为先进，还需要十多年时间解决。行星协会的LightSail 2航天器目前已经将太阳帆全部展开，材料为银色的聚脂薄膜，反射率非常高，如果条件合适的话，在地球上可以用肉眼看到，大约相当于一颗微弱的恒星，移动速度较快，可肉眼识别。

图注：未来自带动力的太阳帆飞船

综上，渐入佳境的LightSail 2航天器让太阳帆航行进一步变成可能，太阳帆技术也是目前人类能够进行星际航行最快、最成熟的技术。相比较于核聚变等动力装置，利用太阳帆可省去很多技术瓶颈，我们唯一要做的就是研制太阳帆，更好、更轻，动力交给太阳解决就好，有光就能航行！

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