太阳帆飞船：推力哪里来

●它是世界上首次使用太阳帆作为太空飞行的动力装置的航天器
　　●它成功的飞行试验证明，利用太阳光压的推力可以使飞船在太空中航行
　　莫斯科时间7月20日4时31分，俄罗斯北方舰队成功地发射了“宇宙”1号航天器，并按预设程序对其飞行性能进行了测试。该航天器被译为“宇宙”1号低轨道卫星，又称“太阳帆”飞船。因为它是世界上首次使用太阳帆作为太空飞行的动力装置的航天器，故而引起了世人的兴趣和关注。此举乃人类航天技术发展史上的首创。

　　“太阳帆”首次进入太空
　　“太阳帆”飞船是用1枚波浪型运载火箭，在俄罗斯位于巴伦支海的“伯利索格勒布斯克”号核动力潜艇上发射升空的。波浪型运载火箭是由名为“鱼工（HONG）鱼”的SS－N－18潜对地洲际弹道导弹改装而成的。

　　20世纪90年代初，俄海军总司令部决定将部分SS－N－18导弹改装成两级波浪型运载火箭，以承揽国际商业卫星发射业务。波浪型火箭被安装在现役潜艇的导弹发射筒中，并由潜艇运至适宜火箭发射的海域。这种可任意选择起飞地点的发射方式是陆地发射场所无法做到的。点火后，第一级和第二级火箭依次工作，将航天器送入近地轨道。截至目前，俄总共发射过4枚波浪型火箭，且均告成功。

　　发射“宇宙”1号时，航天器作为有效载荷盛装在波浪型运载火箭的顶端位置的保护罩内，太阳帆在升空过程中处于折叠状态。这样做是为了减少空气阻力，不然就无法进入太空。当航天器在运载火箭的推动下，进入远地点约1200公里的太空预定轨道后，按预设程序抛弃保护罩，并缓缓地绽开两个花瓣状、总直径约26米的、表面覆盖着铝薄膜的太阳帆。这艘太阳帆航天器在近地轨道飞行约25分钟后，按预定计划返回了地球，并准确降落在俄东北部的勘察加半岛，飞行距离八千多公里。这次成功的试验飞行证明，利用太阳光压提供的推力，可以使飞船在太空中航行。

　　开普勒400年前的设想
　　著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆———一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

　　人们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0．9达因，还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530．93平方米，与光压获得的推力仅为255克。

　　如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0．034吨。根据理论计算，这一推理可使重约0．5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1．5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

　　由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4—6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。

　　理解这一点并不难。因为在太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度。比如，发射静止轨道卫星时卫星先进入大椭圆地球转移轨道，待其运行到赤道上空3．6万公里的最大高度时，遥控指令启动星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十千克，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是这后加的推力使卫星产生新的速度，与原来的运动速度合成之后形成的最终速度为每秒3．075公里。太阳帆接受光压的作用，它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。

　　太阳光、太阳风及太阳电池
　　实际上，太阳除电磁波辐射外，还有粒子辐射。后者是指从太阳外层大气不断发射出的稳定的离子流，通常称作太阳风。在“宇宙”1号太阳帆上也有太阳风的作用，不过远比太阳光的作用微弱。太阳风作用在“宇宙”1号太阳帆上的推力为0．0001克，同太阳光此时产生的推力225克相比，完全可以忽略不计。同时，由于星际物质的影响，太阳风边界大约在25—50个天文单位之间，其压力又随距离平方而下降，故计算它对太阳帆作用所提供的推力已没有实际意义。说明这一点，意在不要把太阳光和太阳风的作用混为一谈。当然，也不要把太阳帆利用太阳光光压提供推力的方法同已经采用的将太阳能转换成电力的方法相混淆。

　　太阳帆——各国关注的课题
　　由俄巴巴金科学研究中心和马克耶夫科学生产企业共同研制的“宇宙”1号航天器，此次发射升空进行飞行试验的目的是测试形如花瓣的两个太阳帆能否在太空中顺利打开并产生动力，检验现行方案的合理程度并为更远距离的航行提供借鉴，探索将来无需大量燃料而进行星际旅行的可能性。为此，安装在“宇宙”1号航天器表面的摄像装置对实验进行了拍摄，测试照片和资料尚不能肯定是否实时传回地面，但能肯定它们同航天器一起返回了地面。

　　在试验结束阶段，地面控制人员发出遥控指令，启动了航天器上的充气制动装置，使航天器表面被特制的气囊所覆盖。在气囊的制动下，航天器在稠密大气层中的返回速度可降至每秒16米。此一过程，实际就是将高压气瓶的气体充填于气囊，使航天器的体积因气囊膨胀而增大，从而增加了空气阻力，减慢了返回速度。气囊中的特质气体，可防止与大气摩擦时所产生的热量而损坏“宇宙”1号上的仪器。据悉，俄罗斯、美国、德国和法国的专家在距离发射水域约3海里的考察船上观看了“宇宙”1号的此次出航。专家们认为，俄罗斯在利用太阳光能作为航天动力技术上率先迈出了一步。

　　目前，美国也在进行太阳帆飞船的研究，并为选择太阳帆的制造材料进行了大量测试工作，还探讨了如何发射以及太阳帆在太空怎样展开等问题。美国航宇局预计2010年成行的太阳帆飞船将历经15年以上的航程，飞行37亿公里直到太阳系边缘。最初几次航行主要运载机器人，然后才会考虑载人到太空远行。