“天帆一号”太阳帆

12月27日夜间，“长征五号”遥三运载火箭发射成功，标志着中国航天跨越了一项关键的里程碑。但很多人不了解的是，就在“胖五”成功发射的前一天，中国航天还宣布达成了另一项关键成就，战略意义不亚于“胖五”的成功。

中科院沈阳自动化所在12月26日宣布，该所研制的“天帆一号”太阳帆，搭载长沙天仪研究院的“潇湘一号07”卫星（8月31日搭载“快舟一号甲”型火箭在酒泉成功发射），在轨成功验证了多项太阳帆关键技术。

“天帆一号”展开的示意图

太阳帆技术——驶向星辰大海的风帆

“天帆一号”太阳帆进行第一次在轨技术试验，标志着中国正式涉足这个关键航天技术领域。“潇湘一号07”卫星，是一颗重量仅有2千克的微小卫星，但它验证的“天帆一号”太阳帆，却代表未来太空飞行的一项核心技术。

现有的太空飞行，仍以化学火箭为主流推进方式，离子火箭也在发展。但这两种推进方式都有严重弱点，化学火箭需要大量的燃料，无力进行长期飞行，离子火箭则推力微小，目前仅能用于卫星的姿态调整。然而，太阳帆却提供了另一种可能——可实现长期太空飞行，而且能达成理论上的极高速度。

太阳帆，顾名思义，就是依靠太阳光的“光压”推动航天器的“帆”实现宇宙飞行。太阳的光压看似力量不大，但却能持续作用于“太阳帆”，使航天器获得不间断的加速度。此外，太阳还会不断吹出大量带电粒子流，即“太阳风”，加大对太阳帆的光压推力。

太阳帆飞船

在地球到太阳的距离上，正常太阳光在一平方米太阳帆上产生的推力等于0.9达因（令1克的物体产生1厘米/秒^2的加速度的力为1达因），不到一只蚂蚁的重量。但如果太阳帆制作的足够大，直径增加到300米，面积则为70686平方米，那么光压提供的推力就可达0.034吨。提供的加速度就可使0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，那么光压提供的1.5吨推力就能推动20吨的航天器在400天内送到火星。

太阳帆的另一个优势，就是飞行距离越远，速度越快。以木星为例，太阳帆飞船理论上最快在2年内就可以飞抵，土星的话也只要3.3年，天王星是5.8年，海王星是8.5年，速度比从前的“旅行者2号”快得多。

这种推进技术提供的未来展望，对行星际宇宙飞行是极具吸引力的。太阳帆的可使用范围，几乎遍及太阳系各个角落，从太阳附近一直远至海王星外的彗星云。有分析指出，未来地球和火星之间的旅行，太阳帆将成为核心推进方式。

日本“伊卡洛斯”号太阳帆试验飞船

美俄日欧都虽已研制太阳帆多年，但中国已能平起平坐

从上世纪起，西方和俄罗斯都展开了太阳帆的研究，并在光帆材料和空间展开等技术上进行了大量试验。

人类最早进入太空的太阳帆，是2001年和2004年美国联合俄罗斯试验的“宇宙一号”，但两次试验都遭到失败。2004年8月，日本也首次试验了自己的原始太阳帆，但仅仅是测试部署机制，并没有试验推进技术。

2010年5月21日，日本航空航天局发射了第一颗真正的太阳帆飞船——“伊卡洛斯”号（起飞重量315千克）。这艘飞船在飞往金星的途中，进行了空间展开和操控试验，并首次实现了太阳光压的推力试验。经过六个月推进试验，太阳帆最终实现了100米/秒的速度增量。

“伊卡洛斯”号的太阳帆展开

“伊卡洛斯”号采用了一个对角旋转的方形帆，尺寸为14x14米（196平方米），由厚度为7.5微米的聚酰亚胺薄片制成。这种聚酰亚胺薄片的质量仅有每平方米10克。太阳帆内部还嵌有薄膜太阳能电池。

同年11月19日，美国也成功了发射第一个太阳帆——“纳米帆D2”。航天器重量不到4.5千克，太阳帆尺寸只有9.3平方米。美国方面称，太阳帆在试验期间作为被动脱轨装置的使用产生了“大量数据”。

目前，美国、日本、俄罗斯和欧洲已展开多个太阳帆相关的开发项目，但成功次数寥寥无几，整体上还处于起步阶段。从效果来看，多年前的日本的“伊卡洛斯”号仍是最为成功的一个。

“潇湘一号07”卫星

太阳帆存在着多个技术难点：首先，太阳帆的制作需要极轻质的特殊材料，而且要能高效地将光压转化为动能，而不是热能；其次，需要攻克太阳帆的空间展开技术，要将折叠收缩于几公斤小盒子内的太阳帆，充分展开为几十平米甚至几百平米的完整状态；另外，太阳帆的空间姿态控制也是极为重要的，选择准确的角度以获得最大的“迎风”效率。

中国的“天帆一号”太阳帆，在技术上也属于初期的起步状态，但这是“从零到一”的关键一步。迈开了这第一步，标志着我国在这一领域已经基本和西方“平起平坐”了。（作者：陶慕剑）