驭光而行从“突破摄星”说起
时间：2020-12-10 04:01:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
4月12日，著名物理学家史蒂芬·霍金发出了第一条中文微博，称希望通过社交媒体与中国网友交流，分享生活趣事和工作心得。短短8小时，他粉丝数就突破127万。数十万网友以评论和转发的形式对他表示敬仰与欢迎。谁也想不到，这只是更大新闻的预热。
4月13日上午，霍金发出了他的第二条微博：
我和尤里·米尔纳启动了“突破摄星”计划……在一代人的时间内，“突破摄星”旨在研发出一台“纳米飞行器”—— 一台质量为克级的自动化太空探测器 —— 并且通过光束把它推动到五分之一的光速。如果我们成功的话，这个飞掠任务将会在发射后二十年左右到达半人马座α星，并发送回来在那个星系中发现的行星的图片。
爱因斯坦曾经幻想在宇宙中乘着一道光线飞驰，这个思想实验为他的狭义相对论奠定了基础。一个多世纪后，我们有机会可以达到光速的一小部分：一亿英里每小时。只有通过这么快的速度，我们才有希望在人类的时间尺度内到达那些恒星。
这个项目耗资巨大，雄心勃勃地希望探索人类创新和工程学的极限。能参与这样的项目，非常令人兴奋。
如果把上面这番话“翻译”成科幻迷喜闻乐见的语言，就是：
霍金参与了人类飞行器远征“三体星”计划。该计划既不使用庞大的星舰（像“代达罗斯”计划那样的核聚变火箭），飞船自身也不携带燃料（类似只送云天明大脑的辐射帆飞船）。这个计划仿佛是朝半人马座α星吹出一团蒲公英种子。发自地球的激光相当于吹出的气流，纳米飞行器相当于蒲公英种子。
光帆的原理
光是一种特殊的物质，既有波动性，也有粒子性，当光呈现粒子性时，被称为“光子”。光子有速度、有动量，击打到物体上会对该物体产生撞击力。如果该物体表面十分光滑，光子就会反弹回来，镜子就是反射光子的最好例子。
第一个提议借助帆的力量进行星际穿越的是约翰内斯·开普勒，他在1610年写给伽利略的信中提到了这个想法。开普勒认为，彗星尾部会受到某种微弱“太阳风”的吹拂，可以利用这种风来推进带帆的飞行器，就像海风推动帆船一样。尽管开普勒关于太阳风的解释后来被证实是错误的，但后世的科学家们却由此受到启发，发现太阳光确实可以施加足够的作用力来移动物体。
太阳光的力量十分微弱，在地球轨道上，每平方千米表面接受的太阳光压只有4.55牛顿，也就是一个苹果的重量而已。与之相比，航天飞机的主发动机在升空期间产生的推力为167万牛顿，在真空中产生的推力为210万牛顿。太阳帆仅仅依靠这点力量，怎么推动宇宙飞船飞速前进呢？
化学火箭发动机虽然推力巨大，但不耐久，只能工作几百秒就没后劲了。太阳帆则不然，只要有阳光照耀，它就可以一直工作，在太阳光的压力下缓慢加速，并通过调整帆面相对太阳的角度来控制速度及方向。虽然加速度很小，但聊胜于无。太空中的摩擦力可以忽略不计，这一点点推力足以推动一艘很轻的飞船，而且与消耗燃料的火箭不同，阳光是无尽的免费午餐。日复一日，太阳帆总有一天会达到惊人的高速度。
假如有一艘帆面7万平方米的太阳帆飞船，飞船质量是500千克，那么它离开地球轨道时每秒的速度增加值是1毫米/秒。但日积月累，等到抵达火星轨道时，时间不过才用去284天，平均下来，这个速度比许多化学火箭还要快。
正是意识到这一点，1924年，航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基及其同事弗里德里希·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。后来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，成为今日建造太阳帆飞船的基础。
形形色色的太阳帆试验
20世纪70年代，美国宇航局的科学家们曾提出向哈雷彗星发射一个巨型太阳帆探测器。尽管这项提议由于风险过大且技术不成熟而被否决，但用太阳帆推进航天器这一创意却保留下来。进入21世纪，太阳帆飞船已不再是停留在蓝图上的构想，不少机构都在进行太阳帆飞船的试验。
第一艘太阳帆飞船——“宇宙1号”
“宇宙1号”太阳帆飞船是由行星学会（这是由卡尔·萨根联合创建，太空爱好者组成的国际民间组织）、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年时间联合建造的，耗资400万美元，
“宇宙1号”总重量为50千克，由8片长度为15米的三角形聚酯薄膜帆板组成，帆板总面积达600平方米，呈花瓣形。每张帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋还薄，表面涂满了高效反光物质。帆板与支撑杆的结构就像直升机旋翼一样，可以通过调整来改变飞船的飞行方向和速度。
在阳光推动下，“宇宙1号”太阳帆将会以每秒1毫米的速度慢慢地加速移动。在帆面展开24小时后，太阳帆的速度将增至每小时100英里；到第100天时，它的速度将达到每小时1万英里。如果“宇宙1号”能持续飞行3年，速度会提升到每小时10万英里，这相当于目前飞得最远的“旅行者号”探测器飞行速度的3倍。
2005年6月21日，“宇宙1号”发射升空。遗憾的是，运载火箭离开核潜艇后不久，火箭发动机里涡轮泵的工作突然失灵，因此，最终导致运载火箭未能将该飞船送达太空指定位置。
日本首个太阳帆试验失败
在“宇宙1号”升空后不久，2006年2月，日本宇宙航空研究开发机构也发射了一个试验性太阳帆。该机构计划，在发射日本首颗红外天文卫星“ASTRO-F”时，让“M-5”火箭同时将一个边长约10米、面积达75平方米的六边形太阳帆捎上太空。根据传回地面的数据，太阳帆在预定的时间开始尝试展开，但只打开了三分之一就停止了。随后，该机构宣布这次太阳帆展开实验失败。
纳米太阳帆
2008年，美国宇航局启动了一个新的项目，叫作“纳米帆-D”。“纳米帆-D”是一个微型卫星，体积只比一块面包略大。它只携带了几块电池为无线电和计算机供电，除此之外再无任何能源。它携带的太阳帆展开后有100平方英尺，厚度比纸还薄，表面镀有铝。按照计划，太阳帆将在卫星进入轨道三天后打开。然而，运载火箭在升空两分钟后出现故障，“纳米帆-D”未能进入近地轨道。从理论上讲，“纳米帆-D”的最高速度可以达到光速的2%，即每秒6000千米。以这个速度，从地球飞到月球仅需一分钟。
