OurSci Magazine, 2005.02.15, Vol.5, No.27

三思科学杂志
《三思科学》电子杂志
2005年第2期
2005年2月15日


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求知
光帆

星际旅行的发动机
五、光帆

作者 萧楠


　　不久前刚写了关于光帆的文章《太阳帆船》，那篇文章已经介绍了光压的发现历史以及光帆的发展现状，所以这里就重点介绍对于光帆未来发展的设想，可以让两文互为补充。

　　《太阳帆船》一文已经讲述了光是能产生压力的，所以我们可以借助这样的压力来作为推进的动力。在距离太阳比较近的时候，还能利用一些太阳风的推动力，不过光压才是核心推动力，因为太阳风产生的压力还不到光压的0.1%，完全可以忽略（注意：国内读物上说光帆利用太阳风来推动的说法是错误的！）。光帆这样的推动系统不能算发动机，但却是所有介绍未来宇航方式的资料中都会讲述的重要方法。

　　由恒星产生的光压带来的推力是非常低的，这意味着利用光帆的航行的起点和终点都必须在太空中，必须由其他的宇航工具送上太空，并在太空中展开。对比而言，前面介绍的离子发动机虽然目前推力很低，但毕竟有能够从星球上起降的发展前景，光帆则永远需要依赖于别的手段。但如果我们将来有了大型的太空站以至太空城市的话，那么光帆用起来就方便得多了。

光帆
太空城市的光帆


　　首先要注意的是，为了能够航行并且携带一定的有效载荷，光帆的面积必须非常巨大，才能获得足够大的推力。我们现在所试验的光帆都仅仅几十米宽，但在实际应用中，光帆的尺度需要以公里来计算。而同时，还必须特别薄，以减轻重量，目前看来最适合的物质应该是碳纤维制品，因为碳纤维制成的光帆厚度可以只有几微米，而且这种材料也是少数几种能够承受来自太阳的热和辐射的材料之一。

　　光帆的理论基础是，当光被反射的时候，就从光子传递给光帆一个动力产生加速度。被反射的能量越多，获得的动力就越多。也就是说，光帆表面的反射性能越好，其效果就越好。

　　自然，在光帆方面的发展重点就是如何进一步寻找这样的可以很大、很薄、很轻、反光性好、而且不会因为陨石的打击而撕裂的材料。

　　光帆最大的好处是它们有免费的推进系统，既不需要发动机，也不需要燃料，节省了大量的重量，而且可以长期加速，这两者结合意味着它最终能达到很高的速度。在距离太阳1个天文单位的距离（也就是地球附近），阳光的压力是每平方千米9牛顿，对比起来，航天飞机的推力是要以百万牛顿来计算。但航天飞机很快就把它的燃料用光，由于这个原因，传统的火箭发动机的极限大概是每小时3万英里左右，想再快的话，就必须利用行星的引力来加速。而不用燃料，能够长期加速的光帆飞行器要最终加速到每小时20万英里并不难。也就是说从长期看，光帆一定是更快的，更节省时间，这对于行星际航行，尤其是恒星际航行来说是非常重要的。我们可以用它来完成恒星际的先驱航行任务，虽然即使再发展也难以用它来完成星际间的定期航行。

　　利用太阳光的话，缺点很明显，首先是如同上文说的光帆的推重比极其微小，其次是当使用光帆的飞行器远离太阳，阳光的密集度越来越低，压力会越来越小，直到最终可以忽略，也不再对光帆施加压力并产生加速度。

　　针对上述弱点，人们从上世纪80年代开始就提出一些办法来解决这些问题。其设想是在绕地球轨道，或者环绕太阳的轨道以至月球上安装一组激光器或者微波发送器，用它们的力量来推动光帆。由于人工的方式可以让能量比阳光集中，所以其效果要大大好于阳光，并且能解决深空航行的问题。美国宇航局最近的研究说这样的飞行器速度能最终达到光速的1/10（大约是每秒3万公里），而有更乐观的观点认为能达到光速的一半。

光帆
光帆


　　第一个提出用激光航行的人是Robert Forward，不过他提出的使用一个1000公里的透镜、产生1亿亿瓦特激光、以及1000公里的帆这样的设想虽然很壮观，但实在是缺乏可操作性。所以，这个方案就被其他人进行了修正，把效果降低，但方案变得更现实（尽管还是有些异想天开，比如“仅仅”1百亿瓦特的微波激光）。

　　这样航行方式遇到的一个困难就是，激光束在如此遥远的距离上会扩散得很大，这就是为什么Robert Forward要建造巨帆的缘故。而且激光技术必须得到大幅度的发展，以便瞄准数百万公里外的目标。

　　微波可以起到同激光同样的效果，不过帆的设计上要有些修改，要改成金属丝网结构，但这个金属丝网的缝隙必须比微波的波长的一半还小。这样的飞行器上放的应该是无生命的机器人以及机器，由于微波在短距离上具有比激光更好的效果，所以可以更快的加速直到进入巡航速度。虽然由于波长比激光大得多从而在远距离上微波不如激光，但微波需要的能量要少于激光，距离我们现在的技术能力更近。

　　对于使用微波或者激光来航行的光帆来说，一个挑战就是如何在目标附近停下来并进入轨道。最普遍的建议是使用多重帆，比如使用两级帆，分为内帆和靠外的主帆，这样，让激光照射到靠外的主帆上，然后反射到内帆上，这会让外面的主帆加速远离目标，但和飞船结合在一起的内帆则得到减速，主帆被抛离，小一些的内帆成为主帆并进入轨道。

　　如果使用三级帆，甚至可以进行往返飞行，停止的方式和上面一样，到了该返航的时候，第三级则和第二级分离，来自太阳系的激光则从第二级帆反射回第三级从而进入回程。这要求帆具有一点凹面镜的形态，以便让反射的光束更集中。

　　另外一个用于停船的更有创造力的思路是，关掉激光束，然后飞船伸出带电的金属线，同恒星的磁场作用，来让飞船转入一个很浅的弧线轨道，最后再把激光束重新打开。

　　但是，设想虽然好，但是在实际操作中却要遇到三个重大的问题：

　　第一个是激光和微波指向装置必须非常精确，而且随着距离越远，难度越大；
　　第二个是飞船只能携带很少的有效载荷；
　　第三个，也是最严重的问题是，这样的距离无法和地球这里及时联络，如果遇到什么情况，需要地球这里进行调整的话，根本无法进行。比如，当飞船距离基地只有2光年的距离时，就需要四年多才能调整，其中两年用于无线电波返回基地，两年多（因为要加上这4年中飞船又走的距离）用于调整后的激光到达并产生效果。

　　对于不用激光和微波主动加速的光帆飞船来说，问题反而简单，因为速度没那么高，所以在到达临近恒星的时候只要利用那颗恒星的光压减速就可以达到合适的速度，并收起光帆进入轨道，所需要的只是有一个合适的智能系统来完成这一切。

　　而对于行星际定期航行，主动加速的方式就可以很有用，前提是我们已经到达目标星球，并在那里也安装一组激光或者微波发送器，这样，就可以建立一个行星际的高速公路。

　　从《太阳帆船》到本文，大家已经看到了不少光帆的图，不知道大家注意过没有，所有的图片中帆的形状基本只有两种。

光帆光帆
光帆的两种基本形状


　　这和光帆的用于支撑的帆桁有关，如果没有帆桁的支撑，当阳关推动帆的时候帆就会塌下来并缠到飞船上。人们设计出两种方式来稳定帆，并且能转动帆，同时还使帆尽量平展以接受更多的阳光。上图左边是三轴稳定方式（Three Axis Stabilized），右边是旋转稳定方式（Spin Stabilized），很明显，每一个帆叶都是最稳定的三角形。

　　三轴稳定方式的名字来自帆桁结构以三维方式来支撑帆体，前两维自然是帆体的二维，第三维则和帆体垂直。将帆的边缘（三角形的两个边缘）同坚硬的帆桁连在一起可以有效防止帆垮掉。下一个要解决的问题是别让帆桁在第三个维度上垮掉，就象被合起来的伞那样。为此要么让帆桁紧密结合在轴心上，要么象下图这样有一个突出的桅杆在第三维上进行加固。

光帆
三轴稳定方式


　　旋转稳定方式顾名思义，就是不断旋转，这样，通过离心力让帆展开。这样的好处是帆桁就不必太坚硬，所以帆桁数量虽然多，反而不见得重。旋转稳定方式的帆叶也可以更多，比如下图这样，这是加拿大太阳帆项目的设计图（Canadian Solar Sail Project）。

光帆
加拿大太阳帆设计图，点击图片放大



　　磁帆

　　这里顺便说说磁帆（Magsail）。磁帆还是很新的概念，由Robert Zubrin和Dana Andrews提出。光帆利用的是光压，而磁帆利用的是恒星风（在我们太阳系自然就是太阳风）。

　　磁帆的结构很简单，就是用一个直径几毫米的超导电缆（由于太空中的低温，实现超导很容易）来构成一个环。从而产生磁场偶极（dipole），并在太阳风中航行，它还能通过调整环的方向来产生一些浮力，从而能进行航向控制。

　　由于结构简单，磁帆恐怕要比光帆更轻也更便宜。而且也可以象发射激光那样，用粒子加速器向磁帆发射带电粒子，而效率可以比激光好大约6倍。并且，让磁帆减速和机动远远比光帆容易。

　　当然，目前存在的技术困难也很多，发展磁帆需要在超导、热控和行星磁场附近的操作方面获得进展。 end

　下期待续

本文相关链接

　　太阳帆船
　　星际旅行的发动机·一、核动力发动机
　　星际旅行的发动机·二、星际冲压发动机
　　星际旅行的发动机·三、反物质发动机
　　星际旅行的发动机·四、离子发动机



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