無需燃料，也不用火箭作推力的太陽帆是什麼」神物「

無需燃料，也不用火箭作推力，僅憑一張帆，太空飛船就像帆船一樣揚帆航行在浩瀚的太空——這聽起來不可思議，但卻並非科幻。

一面巨大的反射鏡

太陽帆是什麼?簡言之，太陽帆就是由一面巨大的薄膜做成的反射鏡，用來攔截太陽光，利用太陽的光壓(也叫「輻射壓」)作為推力，推動飛船前進。當然，它也可利用其他光源如地面發射的激光等作推力，在後面的情況下，它又被叫做「光帆」或「光子帆」。

那麼，什麼是光壓?如果你把手伸到陽光下，

你會有什麼感覺?你一定會感覺到「熱」。其實，除了熱還有壓力，這就是光壓，只不過光壓是如此之小，以至於在你整個的手掌面積上只有百萬分之一盎司(1盎司等於28.35克)，因此你是不可能感覺到的。

或許有人會問：光壓那麼小，何以能推動飛船前進?這是因為：其一，在一切時間內都有太陽光提供光壓，飛船時時有能量增加，涓涓細流最終匯成大海；其二，飛船幾乎在潔凈的真空中飛行，那裡只有很小甚至沒有阻力阻止飛船前進。

1867年，法國著名科幻作家儒勒·凡爾納在其小說《從地球到月球》里提出一個重要概念：光壓有機械力，可以推動機械。1873年，著名的行星運動定律發現者、德國天文學家開普勒的一項發現，

使光壓從科學幻想走進科學殿堂。開普勒在觀測彗星時發現，彗尾好像被什麼東西吹動了。由於當時的歐洲人熱衷於發展航海事業，對風吹帆船在海上航行非常熟悉，開普勒由此聯想到，也許正像風推動海中的帆船，彗尾的移動是由太陽的「微風」造成的。據此，他設想：如果能製造出可利用「空間空氣」的船和帆，就可以在空間進行滑翔。他進一步設想：推進太陽帆的最好方法不是用太陽風，而是用太陽光本身的力。這個「太陽光本身的力」就是光壓。

後來，著名物理學家麥克斯韋在研究電磁波時發現，

光也是電磁波，可見光是我們的眼睛看得見的電磁波。1873年，他用實驗證明，光子從反射面上彈起時，太陽光對反射面施加了一個「柔和的壓力」。所謂「柔和」，是指壓力很小。

太陽光的光壓究竟有多大呢?據測量，在太陽到地球的距離上，太陽光照射在空間1平方米面積上的能量為1.3～1.4千瓦。在物理學上，經常將這個能量除以光速(每秒30萬千米)得到一個新的物理量——動量，再由單位時間內動量的變化來計算太陽光的壓力。用這種方法計算出的太陽光的壓力非常小。作用在每平方千米太陽帆反射面上的壓力只有9牛頓。9牛頓的推力雖然很小，但在高度真空、清潔的空間，由於沒有明顯的摩擦力干擾，它仍能發揮巨大的推動作用，讓飛船在太空揚帆遠航。

關於光壓的作用，1960年，美國宇航局發射「回聲-1號」衛星。這是一顆直徑為40米的巨大的氣球衛星，體積大，重量輕。每當它出現在天空時，用肉眼也能看得很清楚。

還有一個例子。1974年，美國宇航局發射了一艘水星考察飛船——「水手-10號」。水星最接近太陽，周圍有很強的陽光，是進行太陽帆試驗的最好去處。飛船控制者設想用太陽的光壓對飛船進行高度控制，結果收到良好效果，由此進一步證明了太陽帆原理。

自由穿移在太陽附近

太陽帆是用什麼材料製成的?又是怎樣發射和安裝的呢?

材料　用來製作太陽帆的材料要求具有重量輕、反射性能好、耐高溫和抗老化等特性，目前主要有鍍鋁的聚酯薄膜、有孔的薄鋁網、鍍鋁的聚醯亞銨薄膜和鍍鋁的CP-1膜等，最常用的是鍍鋁的聚醯亞銨薄膜。由於耐高溫，太陽帆可以在太陽附近自由穿梭。

設計　與時大時小的空氣動壓不同，太陽的輻射壓很小，而且是固定的。因此，攔截輻射壓的太陽帆一定要滿足質量很輕、推力很大的要求。為此，在設計太陽帆時，需要考慮有最高的推力與質量比。

美國科學家用30～100納米厚的薄鋁片製造了一張試驗用太陽帆，其推力為塑料薄膜帆的10倍以上。但由於材料太脆，不能安全地摺疊、發射和展開，只能在空間生產。

在地面上也製造出了最高推力與質量比的太陽帆，這就是方形帆。這種帆用四根杆子將帆的四角張開，中間用一根杆子安裝引線，杆子和引線都安裝在帆的背光面。這種太陽帆的優點是具有防護太陽的結構，可以非常近距離地接近太陽，從而獲取最大的推力。

20世紀70年代以來，美國科學家還研製出旋轉薄片帆、旋轉環形帆、環形帆、「直升飛機」帆以及電子太陽風帆等多種太陽帆。它們各具優點，也各有缺點，需要進一步完善。

發射　太陽帆因為使用的材料很脆，容易破裂，絕對不能直接從地面發射。發射太陽帆的方式有三種。一是先將太陽帆發射到太空，然後在太空展開，這樣做需要兩艘飛船。二是用衛星或其他飛船提供微波波束或激光光束在太空展開太陽帆，具體做法是：把這些成束的能量發射到太陽帆附近空間，在太陽帆穿過時為它提供第二能源。三是在發射時用微波波束推動太陽帆，發射後用可膨脹暴漲系統將太陽帆展開，然後用激光光束推動太陽帆飛行。

安置　來自於太陽或其他輻射源的光壓由反射鏡反射。作用在反射鏡上的光子推力如同自然界其他力一樣是矢量，即具有大小和方向兩種屬性。推力的大小和方向，同反射面與太陽的相對位置有關。當太陽光垂直入射到反射面上(稱為正射)時，太陽光的壓力全部用於推擊反射面；當太陽光不是垂直入射，而是以一個角度入射到反射面(稱為斜射)時，根據光反射定理，光線將被反射出去，反射光與反射面所成角度等於入射光和反射面所成角度，在這種情況下，只有投影到垂直於反射面的那部分太陽光的壓力推擊反射面，變成推動太陽帆前進的動力。

如此看來，太陽光入射太陽帆反射面的最佳方式是正射，但這實際上是不能實現的。因此，太陽帆通常置於斜射位置上，入射角的大小以使得飛船飛行方向的推力分量得到最佳數值來確定。

太陽帆的製作和安置是一件非常嚴密的工作，只有用理想材料製成太陽帆，並正確地裝配在飛船上，才能很好地獲取太陽光壓，推動飛船在浩瀚的太空中前進。

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