太陽帆作為新的航天工具始終未能實現，是為什麼原因呢

眾所周知，浮在水面上的帆船，

藉助風力就能前進。在這種思想啟發下，早在20世紀20年代，就有人設想能不能在太空也揚起一張大帆，藉助太陽光，也能推著飛船在宇宙空間里前進呢?

這是個非常有創意的構想，但是直到20世紀50年代，人們才搞清了太陽帆的飛行原理。

可是半個多世紀過去了，利用太陽帆作為新的航天工具始終未能實現。這是因為實際飛行還需解決許多非常複雜的技術難題。曾經日本文化科學部宇宙科學研究所重新把這項工作提上日程。

提出了一種與原來歐美設想截然不同的張帆辦法，並研究於用太陽光帆進行金星或木星的星際航行的具體方案。

下面我們介紹以此為目標的太陽帆的構想。

行進原理

太陽光是一種電磁輻射，

組成光線的粒子(即光子)在遇到物體後能夠對物體產生壓力，這就是光壓。光壓對地球的影響是很微小的，幾乎不被人注意。就地球繞太陽公轉軌道上的太陽光的光壓而言，僅有大約10-6牛頓／米2(受壓面與太陽光線垂直時)。由此產生的加速度約0．03毫米／秒2～1．00毫米／秒2。儘管加速度很小，但是如果長時間連續作用的話，它可積累很大的速度增量而不消耗燃料，因而是星際航行中最經濟最理想的交通工具。因為在太陽系內，太陽的能量是取之不盡的，這一點正是太陽帆的優越性所在。

當然，在軌道上的太陽帆很難受到太陽光垂直照射做前進或後退運動。太陽帆在某一軌道上運行時，太陽光總是以一定角度照射在帆上，產生一個沿軌道切線方向的推力。

通過這個力的加速或減速，可使帆船做靠近太陽或遠離太陽的運動。

揚帆方式

原來歐美研究者設想的帆就像飄在空中的風箏那樣，大多需要在骨架上張帆。ISAS現在探討的帆沒有相應的骨架而是讓卷纏在衛星主體的帆旋轉，產生的離心力使帆張開。

因為太陽的光壓非常小，所以對帆所用的材料有極高的要求：它既要輕、展開的面積又要大，而且在發射到太空前又能摺疊得很小，到達一定軌道時才自動展開。關於帆的整體或各部分形狀，現在考慮有三葉草形和扇面形兩種。構想中的帆大多直徑達幾百米。ISAS設想中的小型帆，其直徑150米左右，展開面積超過1萬平方米。安在帆中心的是衛星主體，它上面有個裝置，通過它的邊旋轉邊滑動，可以改變衛星整體的質量中心，從而改變帆的方向，進而控制帆。這是考慮到衛星主體卜的天線不被帆遮住，能正常接收來自地球的信號。衛星主體與帆用鋼纜連接，固定衛星主體與滑動部分，使主體的外側部分旋轉。

由於巨大的帆進入太空前需要收在火箭內，所以發射的時候，帆是卷纏在衛星主體外，整體直徑1米左右，非常緊湊。發射到宇宙空間後，通過衛星旋轉產生的離心力，使摺疊的帆一點點展開，像打開傘那樣展開帆。

太空船的帆展開後，要求儘可能平整，不要有褶皺，否則接收到的光會減少，推力也會減小。為了解決這個問題，通常都是把帆展開後繼續利用離心力使帆不停地旋轉，不會起褶皺。

作為帆的材料，目前被視為最好的是一種稱之聚醯亞胺高分子材料製成的薄膜，它經真空鍍鋁後即可作為帆使用。科學實驗用的高空氣球使用的聚乙烯材料，因其不耐熱，也不耐紫外線和宇宙射線照射等，所以不適合用作太陽帆。另外，聚醯亞胺具有抗熱和抗宇宙射線特性，故這種材料也被用來塗敷在人造衛星表面，用以絕熱。

星際航行

太陽帆的飛行任務可分兩類：一類是近地飛行任務，在執行這類任務中，太陽帆是在地球引力場範圍內飛行；另一類為星際飛行，在執行這類任務中，太陽帆的軌道為同心軌道，這種軌道一般選擇接近黃道面的軌道。在這兩類飛行任務中，太陽帆的控制策略是不同的。

原先考慮太陽帆主要用於近地飛行，所以那時考慮的太陽帆結構，就像浮在空中的風箏那樣，大都用骨架張帆的方式。為使帆從太陽光獲取需要的推力，帆的姿勢要不斷調整。在近地飛行時，太陽帆每繞軌道飛行一圈，其帆面就轉動半圈。顯然，在近地飛行時，要求太陽帆能在短時間裡做大的角度改變。如果把帆張在骨架上，做那樣大角度的姿態變動較容易。但是，如果是用於星際空間的航行又另當別論了。如太陽帆需飛向外行星(如火星)時，需調整帆面姿態產生加速度；如太陽帆需飛向內行星(如金星)時，則需調整姿態產生負的加速度。不管是哪一種情形，都沒必要在短時間內大幅度改變帆的角度，所以採用離心力張帆的方式更適合。

至此，讀者或許會擔心宇宙空間中存在許多小塵埃，如果這些塵埃撞在帆上，會否在帆上砸出許多小窟窿，使星際航行歸於失敗。事實上，按過去的實驗數據推算，如果在6年的星際航行中，太陽帆將會被星際塵埃擊穿大約200萬個小窟窿，其面積約佔整個帆的1．5％。專家認為，在這種狀態下不會影響飛行。另外，聚醯亞胺薄膜本身韌性很好，再加上真空鍍鋁，實驗表明，即使被稍大的物體撞擊，也不會開裂。

實驗成功

幾年前日本ISAS為了試驗太陽帆能否在宇宙空間順利地張帆，在鹿兒島縣內之浦火箭發射場發射了S-310火箭(全長約7．1米，直徑31厘米)。火箭的前端搭載了兩種類型的太陽帆，這次試驗的帆沒有正式航行用帆那麼大，僅是其1／10，即展開直徑僅10米，厚度僅7．5微米的聚醯亞胺薄膜，分別捲成直徑約100毫米的圓柱。由於帆是在摺疊狀態下被發射上去的，所以來到宇宙空間後將帆展開是一個關鍵。此前只是在地面進行了實驗，考慮到地面上重力的影響或大氣的阻力等受到很大的限制，為此，這次在實際的宇宙空間進行了實驗。

在這次實驗中做了「三葉草形」和「扇面形」兩種展開方式的試驗。發射100秒後，到達高度122千米，首先展開三葉草形的帆。發射220秒後甩掉三葉草形，接著，10秒後在高度169千米再次展開扇面形。儘管太陽帆在美國也進行了研究，但是在宇宙空間成功地把帆展開，這在世界上還是第一次的壯舉。

針對這一次實驗成功，ISAS下一步計劃於2007年或2008年發射一艘到金星的試驗太陽帆，2009年發射一艘到木星的正式太陽帆。到金星的飛行任務是將一個觀測氣球帶到金星，用於探測金星大氣。

一般來說，太陽帆飛行器比較適用於探測彗星，而不適合用作圍繞行星運行的軌道飛行器。因為飛行器靠近目標行星時必須有大的減速，以便進入運行軌道，但太陽帆飛行器無法做大的減速。不過用它放出小型探測器，使它進入運行軌道，或者著陸行星表面還是可以的。

就在本文完稿這際，據來自《國際時訊》的報道說，美俄合作的「宇宙1」號太陽帆已經於2006年三四月發射升空，這對太陽帆能否經受宇宙空間的惡劣環境是一個很好的考驗。不管怎麼說，歷經長久夢想而未能實現的太陽終於走出實驗室，它將擔負起科學探索的使命，航行於宇宙海洋中。

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