划船不用槳，揚帆不用浪，這艘神奇的太空船究竟靠啥飛

6月25日，重型獵鷹迎來第三次發射。這枚重型火箭的近地軌道運載能力高達64噸， 但這一次，火箭上搭載的很多是「小朋友」，主載荷包含了25顆小衛星，搭便車的也同樣袖珍。

獵鷹重型火箭的第3次發射 | 行星學會

在這群「小朋友」中，有一位嬰兒般的乘客——光帆2號。它重量只有10斤（5千克），身高不到半米（48.7厘米），僅有巴掌那麼寬（11.3×11.3厘米）。

看似小不點的它，在太空卻如同蜘蛛一般，吐「絲」織「網」，變成一個魔毯巨人。這張魔毯長寬各5.6米，面積達32平方米。而魔毯的厚度，卻比人頭髮絲還要細，只有4.5微米。

光帆2號打開太陽帆的示意視頻 | 行星學會

在化石燃料肆虐海陸空天的當今，一群人另闢蹊徑，動起了風帆時代的念頭。光帆2號自身不攜帶燃料，它張開魔毯，在太空中，靜等「風」來。

不過，太空是極其稀薄的存在，並沒有我們所熟悉的風。那麼，光帆2號是如何在太空中飛行的呢？

看，「光帆2號」就這麼小 | Planetary Society

御光而行的夢想

早在400年前，揚帆遨遊太空的夢想就已經萌發。一位年輕人，對彗星長長的尾巴充滿好奇——既然太陽能夠強勁地吹動彗星，那麼，

「Provide ships or sails adapted to the heavenly breezes, and there will be some who will brave even that void.」

倘若有船或帆能駕馭這天堂的氣息，必將有勇士敢於揚帆遨遊天際。

——開普勒

然而，受限於那個年代的科學背景，開普勒並沒能成為這樣的勇士，但他提出的行星運行三大定律，成為天文學重要的基石。

蘇聯《五角星報》上假象的未來太陽光帆 | Five Corners newspaper

為什麼太陽光有這樣巨大的威力呢？在隨後300年的時間裡，包括牛頓在內的許多人，為了光的本質而爭論不休。

光，究竟是微粒，還是波？

最終給出答案的，是愛因斯坦。他提出了光子的概念，而光的本質，既是微粒，也是電磁波，即波粒二象性。19年後，德布羅意提交了自己的博士論文，升華了這個理念，指出萬物皆是波粒二象性。

根據物理學理論，光子沒有靜質量，但具有一定的動量，可以將動量傳遞給其他物體。大家最熟悉的動量傳遞，莫過於打撞球了。而在太空中，飛向深空的探測器往往需要藉助行星引力彈弓效應，這同樣是利用了行星的動量。

當太陽光的光子撞上太陽帆，航天器就可以獲得光子的動量。雖然單個光子的動量很小，但只要收集到足夠多光子的動量，就可以揚帆遠航了。因此，光帆需要足夠大的面積。

光帆2號的想像圖 | 行星學會

早期的嘗試和挫敗

早在人類航天伊始，NASA在1960年和1964年，就分別放飛過兩個大約30米直徑的巨型氣球衛星，用於實驗遠距離短波通信。這些氣球又輕又大，人們發現太陽光可以輕易地移動這兩個氣球。

NASA的巨型氣球，注意下方人的大小 | NASA

由此看來，大而輕的飛行器可以利用太陽光的動量。不過，僅僅收集到太陽光子的動量是不夠的，我們還需要用合適的方式來利用這些動量。科學家想到的第一點是——太空風車。

早期的很多航天器是自旋穩定的，這種被動穩定的方式使外界不能輕易影響航天器的狀態，如同陀螺一般。那如何讓航天器開始穩定自旋呢？工程師想到了太陽，如果太陽光子能像吹風車一樣吹動航天器，那就可以持續維持自旋穩定了。

1964年，水手4號發射升空，這艘探測器設計了十字形的太陽帆板，每個太陽帆板的末端，加裝了一片「風車葉片」。這樣，當探測器控制自身旋轉的燃料耗盡後，「吹」動探測器的任務交給了太陽，太陽光子撞擊到「風車葉片」上，使得「風車」繼續自旋。

水手4號，注意太陽能板末端的葉片 | NASA

有了這次成功的經驗，雄心勃勃的工程師想搞一個大的——1982年環繞哈雷彗星。

哈雷彗星飛行方向與地球相反，相對速度高達70千米/秒。用這個速度跑完京滬高鐵，只需要19秒！探測器如果想要環繞哈雷彗星，就需要耗費巨大的能量剎車，再反向加速。

這時，他們想到了光帆。儘管光帆的變速能力有限，但可以長年累月地變速，最終累積出巨大的速度變化。根據設計方案，探測器將裝有12片巨型光帆，每片光帆長達6千米！

如此冒進的做法，最終因為經費缺乏和時間不足而告吹，NASA的哈雷彗星之旅也未能成行。蘇聯、歐洲和日本當時都發射了自己的哈雷彗星探測器，不過，所有人都沒有選擇挑戰性極大的環繞。

未能成行的NASA哈雷彗星探測器，周圍是巨大的光帆條 | NASA

不過，這項技術並沒有被人遺忘。美國行星學會（Planetary Society）吸收了太陽光帆的科研人員，學會聯合創始人、著名的天文學家、科幻作家卡爾?薩根也曾熱心介紹和推動光帆技術。但是，由於缺乏資金，應用光帆獨立飛行的技術驗證遲遲無法開展。

1999年，俄國工程師帶來了一個好到難以讓人拒絕的消息—— 一次免費的發射，以及低成本的衛星方案。這得益於俄國人過去的技術積累，以及當時開拓新市場的想法。

這次免費的發射方式也非常特別，發射場是冷戰時期美蘇對峙的重器——戰略核潛艇。只不過，通過核潛艇發射的，是火箭，而不再是攜帶核彈頭的洲際導彈。

Volna潛射火箭平台，發射載具為Delta III戰略核潛艇，圖為吊裝潛射火箭 | 行星學會

負責設計和建造第一艘專職太陽光帆衛星的，是俄國的拉沃契金設計局。這家單位曾經在月球探測上創造了眾多的輝煌。

宇宙1號太陽光帆衛星，上方多塊長方體即為光帆 | 拉沃契金設計局

可惜的是，2005年6月21日，運載宇宙1號的火（dao）箭（dan）在發射82秒後失敗，人類的第一顆太陽光帆航天器就此失利。

人們並沒有因為此次而放棄這一想法，相反，更多機構和個人開始關注和支持太陽光帆，並為這一想法提供支持。

2010年5月21日，日本宇航機構JAXA成功將IKAROS送入太空，它的全稱是小型太陽驅動的星際風箏航天器。這個「小型」航天器足有一人高，展開後的光帆面積高達196平方米，成為了首個利用太陽光帆飛行的航天器。

半年後，IKAROS飛掠金星，在途中成功測試了光帆的加速和姿態控制能力，然後向著太陽系深處飛去。

IKAROS 的想像圖，左下為金星，右下為地球 | JAXA

光帆2號之路

首次成功就實現了飛掠金星，使得更多人開始重視太陽光帆技術。

隨著微小衛星技術的成熟，低成本的微小衛星成為了更多人驗證光帆技術的方式。除了成本低，微小衛星體積小、重量輕，也更能發揮太陽光帆的效果。

於是乎，袖珍的「光帆」系列應運而生。

光帆2號在火箭上的搭車方式 | 行星學會

行星學會的光帆1號衛星很快就做好了，但很難等到合適的發射機遇。

絕大多數衛星聚集在400千米以內的低地球軌道上，這裡仍有極為稀薄的大氣，會嚴重阻礙光帆的運行。因此，光帆1號的設計軌道高度在800千米以上。但前往這一軌道的順風車，實在是太少了。

這一等就是3年，直到2015年，光帆1號才終於搭車升空。

上天后，也並非一帆風順。光帆1號先後遇到了通信失聯、光帆打開失敗、電池工作異常的問題，經過兩周的努力，光帆1號終於成功揚帆。不過，光帆1號開帆在軌時間極短，揚帆而沒能御光飛行。

光帆2號打開光帆的實拍動圖 | 行星學會

驗證飛行能力的重任，落在了本文開頭提到的光帆2號的身上。

升空一個月後，光帆2號於7月23日成功打開了光帆。一周後，即7月31日，行星學會宣布，完全憑藉陽光的力量，太陽帆在短短4天內，就將光帆2號的軌道遠地點抬升了1.7千米。

至此，光帆2號實驗取得了圓滿的成功。

光帆2號仍在御光飛行，它的軌道遠地點也越來越高。截至8月20日，遠地點高度已經比開帆前抬升了超過5千米。

與此同時，光帆2號軌道近地點的高度也在相應地下降。根據實驗設計，陽光的推力會讓軌道變得越來越扁，最終大約在1年之後，完成任務的光帆2號將重新墜回地球大氣層。

光帆2號結構圖 | 行星學會/本文作者漢化

未來揚帆遠航

雖然受到地球引力的束縛而無法真正揚帆遠航，但光帆2號已經成功驗證了御光飛行的技術。那麼話說回來，光帆究竟有哪些引人入勝的優勢呢？

最重要的一點在於，光帆航天器完全由太陽驅動，可能會引發航天器的一次深刻的變化。

首先，光帆航天器理論上可以無限期利用光帆變速，而現有的航天器的主要速度來源於火箭的動力，在後期缺乏高機動性。因此光帆航天器可以實現比現有航天器更快的速度和更複雜的路線；

其次，光帆航天器可以擺脫對於燃料的依賴，實現超長壽命，只要航天器沒有報廢，就可以一直工作下去，比核動力航天器的理論使用年限還要久遠的多；

再者，由於燃料是大多數航天器的主要重量和體積，而光帆航天器不需要攜帶燃料，因此光帆航天器能將更多的資源用於科學研究、物質運輸等方面。

諸多的優勢使得光帆航天器可以在未來大顯身手，而目前限制光帆航天器的原因主要有兩個：成本和技術成熟度。為此，我們反而需要更多的光帆。

作為美國最早開展光帆研究的機構之一，行星學會將協助NASA開展月球軌道光帆航天器，沒有大氣層的干擾，光帆航天器可以在月球大顯身手。

OKEANOS探測計劃 | JAXA

太陽光帆航天器的領頭羊JAXA，則提出了更富有挑戰性的目標。他們計劃在2025年前後，發射巨型太陽光帆探測器OKEANOS，光帆面積將達到1600平方米，前往探測木星軌道的特洛伊群小行星。

太陽光帆航天器的故事才剛剛開始。也許在未來，會出現400年前的開普勒所暢想的那樣，人類在太空中揚帆起航，遨遊於太陽系中。

而這種太空船的設計師，沒準就是本文的讀者之一呢。

作者：鸑鷟鵷鶵

編輯：Steed

本文來自果殼，未經授權不得轉載.

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