科技報報/LightSail太陽帆飛船 5月首次試飛

這是星際旅行幻想的第一候選技術,它不需要燃料,而且比起「反物質發動機」,「核爆推進器」等技術概念,它最接近人類現在的技術水平……

大年過罷頭一遭,星際旅行有望了!美國一個叫行星學會(The Planetary Society)的愛好者組織今(2015)年1月底宣佈,將在5月首次試飛『LightSail』太陽帆飛船,它將在佛羅里達州的卡納維拉爾角,搭載宇宙神V型火箭升空。如果試飛成功,後續的同類型飛船將試著飛出太陽系。

根據科技日報報導,即將迎接挑戰的LightSail,分A、B兩星。A星先上天實驗,主要是要測試姿態控制和通信,還談不上星際旅行。而2016年飛B星,就要試著走遠一點了。兩次任務成本為450萬美元。

試驗兩步走
先在大氣層裡『試試水』

行星學會介紹說:長達四個星期的測試中,LightSail不會飛出大氣層,而是試著控制姿態,監測太陽帆,將圖像傳回地面。

發射上去的太陽帆,是一個麵包大小的衛星。展開成4塊三角形薄膜,拼成一個正方形帆面。如果一切順利,LightSail將在幾天後試著打開,調整姿態,並且傳回資料。

行星學會說,第二次測試飛行定於2016年。飛船將會安裝於喬治亞理工學院研製的Prox-1衛星中,透過SpaceX的獵鷹重型運載火箭發射進入距地面720公里的軌道上,在外太空飛翔。ProX-1衛星將釋放出LightSail,還會停在附近監視它。

理論支持
太陽光也是有壓力的

偉大的開普勒400年前就提過:單靠太陽光就能行走太空。而1870年代馬克士威的理論,指出了這種幻想的真實性。馬克士威預言:光也是有壓力的。

的確,雖然光子沒有質量,但有動量,可以把它的動量傳遞出去。曬太陽的,就接受了太陽的壓迫,只是力度太小感覺不到罷了。馬克士威理論提出30年後,科學家果然測出了光壓。

俄羅斯的火箭先驅齊奧爾科夫斯基,和他的同事桑德1921年提出『用照射到很薄的巨大反射鏡上的陽光獲得宇宙速度。』桑德還說,太陽帆應該是包在硬質塑膠上的超薄金屬帆。1950年代開始有大量文章討論太陽帆。1970年代,由於展開技術和薄膜製造進步,太陽帆開始實驗。上世紀九十年代,各國陸續完成了一些展開實驗。

太陽帆反射光子,反過來光子推動太陽帆。陽光越熾烈壓力越大,太陽附近,每平公尺接受的壓力,相當於3枚一元硬幣的重力,而到了陽光稀薄的太陽系邊緣,每平公尺的壓力就只有一根羽毛的重量了。

技術核心
又大又輕才走得動

展開的太陽帆,面料閃閃發亮,像錫箔。它其實是鍍上一層鋁的聚脂薄膜材料。聚酯薄膜很尋常,但太陽帆薄得不尋常,只有100個原子厚。鏈、索、桿都是碳纖維複合材料。本身很輕,充氣後才能勃起,硬如鋼鐵。

揚起巨帆方能行大船。太陽帆也是越大越好。在劉宇豔等人撰寫的《可展開太陽帆技術概述》中說,如果太陽帆直徑300公尺,可以獲得340牛頓的壓力。讓0.5噸的航天器在200天飛抵火星。如果直徑2000公尺,就能把5噸重的航天器推出太陽系。

有一種說法是,太陽帆理論上最高速度是光速的2%,也就是每秒6000公里。不過,現在科學家能指望的是大型太陽帆航行達到60公里的秒速,也就是現在紀錄的4至6倍。如果成真,那麼太陽帆將大踏步地飛向人馬座。

必須具備完美反射面

太陽帆不光得輕,還得具備完美反射面,要比美人的臉蛋兒還光滑,讓光子一觸即彈。這可就難了。一個皺巴巴的包裹,展開成為堅固的完美鏡面,對製造技術要求很高。

展開是一個大麻煩。科學家想出一些好辦法,有人提出用折疊後的應力自動展開,不用機械;有人提出充氣展開,被廣泛採納。姿態控制也很難,實踐中多用一塊小太陽帆去調整大帆的朝向。

鐳射器、透鏡增加光強

2002年的迪士尼動畫片《星銀島》裡,太空中就展開了一張張太陽帆,就如同大航海時代的百舸競流。

在許多科幻小說裡出現過的太陽帆是星際旅行幻想的第一候選技術,因為它不需要燃料。而且比起『反物質發動機』『核爆推進器』等技術概念,它最接近人類現在的技術水準。NASA有過設想,為了飛出太陽系,可以讓帆更輕、更大,並在太陽系的適當位置擺上鐳射器,還有透鏡,增加照到太陽帆上的光強。

值得一提的是,還有一種概念叫做『太陽風』推進器,它跟太陽帆是兩回事。太陽風推進器不停地電離氣體,製造出一個電磁球層,就像熱氣球一樣捕獲太陽風——太陽拋出的每秒300千公尺的帶電粒子流,從而獲得動量。科學家認為這可以讓100公斤重的推進器,三個月內秒速超50公里。

國際競賽
日本美國目前領先

除了LightSail,已經有太陽帆飛行器升空了。這方面日本領先,它的太陽帆飛行器已經飛過了金星。2010年5月,日本成功試飛IKAROS太陽飛船,它透過一面帆用太陽光壓力作為動力。目前,這艘飛船已經飛過了金星,繼續向太陽飛去。

有趣的是,IKAROS飛船用太陽風做動力,卻是『逆風飛行』。其實帆船也可以在逆風天『曲線前進』,只要帆和前進方向調整適宜。太陽帆能吹向太陽也是同樣的道理。日本當時計劃在10年內,再發射一艘太陽帆飛船,綜合太陽帆和離子推進,飛到木星去。

與IKAROS同期,美國宇航局也發射了『納公尺帆-D』衛星,它在近地軌道成功展開一個小帆,但不能用於飛行。NASA還計劃了一項名為『Sunjammer』的太陽帆飛行器,原定於2015年發射。但在技術評審後,NASA無限期地延遲了這一專案。

美國政府和軍隊還提出一個太陽帆計劃,透過調整傾角,讓太陽帆飛船向太陽航行150萬公里,以監視太陽磁暴。除了提供動力,太陽帆的一個更現實的用處,是調整飛行器的姿態,好省一點燃料。

美國的宇航愛好者組織『行星學會』與俄羅斯合作,曾在2005年發射了『宇宙1號』,它也是LightSail的前身。它搭乘從巴倫支海的核潛艇上射出的火箭升空。本來『宇宙1號』應該在展開成功後降落,但卻不知所終,分析認為是火箭分離故障讓它沒展開。

延伸閱讀
非盈利組織的雄心壯志

根據網路上的介紹:『行星學會是一個受到廣泛支持的非政府、非盈利大規模機構,主要是進行與天文學相關的研究。成立於1980年,成立者是布魯斯•穆雷、路易士•弗里德曼、卡爾•薩根,並有來自125國的成員。』

在『The Planetary Society』的主頁上,醒目地寫著它們的口號:『你的此間是空間(Your Place is Space)』。之外,它們刊登各種太空科技博客文章、照片、影片。這個社團自稱,其宗旨是『鼓勵世界公民去推進空間科學和探索』。

目前行星學會已經有超過一百萬的會員,誰都可以加入,不過在網上註冊成為普通會員,要交每年500美元的會費。儘管是民間組織,但行星學會也支持NASA。它們號召成員給美國國會寫信,增加NASA的預算,並且制止國會敲除NASA的幾個專案。

不論LightSail會不會像宇宙一號一樣出師未捷,行星學會成功籌款邁向太空已贏得全球贊譽。宇航事業是由興趣推動;在官辦的NASA效率受詬病時,就出現了SpaceX公司,讓人耳目一新;而目前『組織』大家登火星的,也是一家荷蘭公司。說不定第一個登上火星的人類將會是愛好者呢!高手在民間。


太陽帆在實驗中成功地張開。


圖2005年6月,由於運載火箭發動機出現故障飛船未能進入預定軌道,太陽帆飛船『宇宙一號』實驗失敗。