太空中的绿色动力

<strong>太阳光是有压力的</strong> <p>　　太阳光传送光和热，照到人身上，人会感到暖洋洋的，但从来也没有人感觉到太阳光有压力。实际上，太阳光是有压力的，因为光具有两重性，既是电磁波，又是粒子——光子。光线实际上是光子流，当光子流受到物体阻挡时，光子就撞到该物体上，就像空气分子撞到物体上一样，它的动能就转化成对物体的压力。 </p><p>　　不过，太阳光产生的压力——光压是非常非常小的。不仅人感受不到，就连普通的仪器也测不出来。在地球附近，太阳光照射到一个平整、光亮、能完全反射光的表面时，产生的压力最大，大约是9×10－6牛/平方米，也就是说100万平方米平整光亮的面积上才受到9牛的压力，只相当于一个2分硬币的重量。在地面上，由于重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太阳光压力被淹没在这些宏观力的汪洋大海之中。 </p><p>　　“山中无老虎，猴子称大王。”到了太空中，重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等几乎完全消失，太阳光压才有了出头之日。一些具有创新思维的人开始想到利用太阳光压来推动航天器在太空飞行。早在上一世纪初，俄罗斯宇航理论先驱齐奥尔科夫斯基就提出过这一大胆的设想。以后，又有不少科学家进行过研究。然而，只有当科学技术发展到今天的水平，在有强大的火箭把航天器送入太空的条件下，利用太阳光作为航天推进力才有了实现的可能。 </p><p>　　<strong>力不在大，时间长则灵</strong> </p><p>　　太阳光压的大小是与接受太阳照射的面积成正比的。受照面积越大，产生的压力越大。为了获得一定的压力，必须有足够大的受照面积，从而引出了太阳帆的概念。 </p><p>　　太阳帆是一种面积很大，表面平整、光滑、无斑点和皱纹的薄膜，一般由聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成，表面镀铝或银，使其具有全反射的特性。 </p><p>　　一块面积为105×105平方米（约一个足球场大小）的太阳帆，在太阳光正射下可获得大约100毫牛的力，用它推动100千克的物体，可产生1毫米/平方秒的加速度。这个加速度极其微小，只有地面重力加速度的一万分之一。 </p><p>　　俗话说：“涓涓细流汇成大海，块块碎土堆成高山。”速度等于加速度与时间的乘积，尽管加速度非常小，只要时间足够长，终能达到一定的速度。即使航天器的加速度只有1毫米/平方秒，那么，一天以后，速度达到86.4米/秒（合时速311千米）；一个月后达到2592米/秒（约2.6 倍音速）；130天后，就可超过第二宇宙速度。达到11.23千米/秒；一年后可达到31.54千米/秒，足以飞出太阳系，由此可见加速度不在大，时间长则灵。 </p><p>　　<strong>用太阳帆作动力的优点</strong> </p><p>　　迄今为止，航天飞行都是用化学火箭作动力，需要携带大量推进剂。想要达到的速度越大，需要的推进剂越多。由于受到可携带推进剂数量的限制，化学火箭只能短时间工作。 </p><p>　　太阳帆用作航天动力的最大特点是：不需要携带任何推进剂或工作介质，只要有太阳光就行。太空中太阳光是用之不尽的，太阳帆工作不受时间限制，真像是一部“永动机”。它比较适用于长时间、远距离和超远程的航天飞行，例如，太阳系内的行星际航行和飞出太阳系的恒星际航行，特别是对于需要返回的航天飞行，可以免去携带回程用推进剂的重负。 </p><p>　　用太阳帆作航天动力的另一优点是清洁、安全。太阳帆不消耗能源，不发生化学变化。不产生废气、废物，不污染环境，是人们所希望的、保护太空环境的“绿色动力”。 </p><p>　　利用太阳帆产生的力可以用来提升或降低卫星的运行轨道；太阳帆不仅可以使航天器远离太阳飞行，调整太阳帆相对于太阳的不同角度，也能使航天器迎着太阳飞行，如同水面上帆船利用风力在帆与舵的控制下逆风行驶一样。 </p><p>　　<strong>真假太阳风</strong> </p><p>　　李白有诗曰：“孤帆一片日边来。”我们可以把利用太阳光压力推动太阳帆在太空飞行比做太空帆船在“太阳风”的“吹”动下缓缓飞行，不过，这个“太阳风”不是真正意义上的太阳风，它是速度为30万千米/秒的光子流。真正的太阳风是航天技术和空间科学中所定义的，指太阳喷射出以电子、质子为主的带电粒子流，其速度远低于光速，为200～400千米/秒。它作用在航天器上产生的力比光压还小得多。 </p><p>　　<strong>太阳帆展开试验</strong> </p><p>　　太阳帆在发射时，为缩小体积，包裹成一小块，到太空后能否顺利展开，是太阳帆能否正常工作的关键。所以，太阳帆在太空的展开试验成为研制工作的重要一环。 </p><p>　　2001年7月20日美国的行星协会曾用俄罗斯的波浪号运载火箭发射“宇宙1号”太阳帆装置，打算在亚轨道上进行太阳帆展开试验。运载火箭顺利地从Borisoglebsk潜艇上起飞，升入高空。可惜功亏一篑，箭载计算机没有发出分离指令，致使太阳帆装置未能与第三级火箭分离，试验没有做成。 </p><p>　　2004年8月9日，日本用S-310小型火箭，携带两种不同形状、厚度为7.5微米的聚酯亚胺薄膜，飞向高空，进行薄膜展开试验。火箭起飞后100秒钟，升高到122千米时，打开外层的三叶草状的薄膜；当飞行230秒，上升到169千米时，打开内层的扇形薄膜。两次展开均获得成功。不过，日本的这项飞行试验只是太阳帆的展开试验，并没有试验利用太阳帆产生推进力。 （原载于《太空探索》2006年第二期 ）</p><br />