一种新型航天器刚刚在地球上空成功部署，它依靠阳光航行。 LightSail 卫星 昨天克服了一系列故障， 展开了太阳帆。这种推进系统与传统火箭、推进器甚至太阳能电池板都截然不同。
美国行星学会 US Planetary Society 建造的这艘原型飞行器由公众捐款资助，正在测试太阳帆展开机制。另一项计划于明年发射的任务将试验完整的推进系统。这也不是第一艘利用太阳帆飞行的航天器。2010年， 日本的 Ikaros 航天器 率先实现了这一点。但人们对这项技术日益增长的兴趣，为未来太空旅行带来了一些令人振奋的可能性。
太阳帆航行相当于太空中的帆船航行。风吹时，撞击船帆的空气粒子推动船只前进。太阳帆航行的原理相同，只不过驱动飞行器前进的不是风，而是太阳发出的光粒子。
光由运动的粒子组成， 这些粒子 称为光子，可以被镜面反射。发生反射时，镜面表面会受到一种称为太阳辐射压的压力。这种压力非常微弱，因此在地球上，即使在阳光下举起一面普通镜子，也无法感受到它。但在太空真空环境中，这种压力足以推动一面非常轻的镜面帆。
要理解太阳帆航行为何重要，我们需要回到太空的空旷环境。推进能力是使运载工具加速的能力。地面上的交通工具通过与周围事物相互作用来加速。例如，汽车通过对路面施力而加速。
然而，太空中没有可供相互作用的介质。这时就需要火箭推进。火箭向一个方向喷射推进剂，便会向相反方向受到推动。这是因为科学定律（牛顿运动第三定律）指出，每当一个物体对另一个物体施力时，它都会受到大小相等、方向相反的力。
问题在于，航天器携带的推进剂有限，一旦耗尽，就无法再加速。因此，仅靠火箭推进，有些遥远的太空目标无法抵达。太阳帆航行则巧妙地绕开了这个问题，因为它完全不需要携带推进剂。它就像一枚可以无限期免费持续推进的火箭。
太阳帆只需反射入射的太阳光子，无需携带推进剂就能产生推力。
来源：www.deorbitsail.com
太阳帆航行的概念非常简单，甚至带有几分浪漫，也确实颇具太空探索吸引力。那么，自20世纪20年代首次提出以来，它为何一直没有得到 更广泛的应用 ？原因有很多，而且都与工程挑战有关。
首要原因是太阳辐射压非常微弱（这也解释了为什么举镜对着太阳时，你感觉不到任何作用力）。这意味着太阳帆必须足够大，才能反射更多光线；同时还必须足够轻，以减少推动它所需的力。
为了安全发射，太阳帆必须先折叠收起，再于失重状态下展开。装有折叠太阳帆的 LightSail 飞行器主体最宽处约为30厘米，但帆展开后的总面积为32平方米。展开机制必须非常可靠，因为一旦失灵，整个任务就会白费（这也是 LightSail 进行试验性发射的原因）。
即使太阳帆又大又轻，加速度仍可能很小。一面覆盖两座网球场面积的太阳帆，受到的力相当于地球上1克物体的重量。如果航天器质量为30千克，其加速度仅为0.0003米/秒²。按照太空标准，这听起来小得惊人：即使是1980年的菲亚特 Panda，表现也好得多，约为1米/秒²。
然而，太阳帆可以一圈又一圈地绕太阳运行，缓慢而持续地朝目标加速（或减速）。因此，太阳帆适合在太阳系内进行漫长的行星际旅行。不过，虽然理论上太阳帆可以永远加速，实际上仍受到时间限制。辐射、微流星体撞击以及释气（电子仪器内部被困气体的释放）都可能损坏帆材，使其随着时间推移反射能力下降。
LightSail 等项目的优势在于，即使它只是小型原型设备，也能证明这项技术可行，并提升人们对这种飞行方式的兴趣和热情。LightSail 表明，即便距首次提出太阳帆航行已近百年，它仍是一个广受欢迎的构想——科学家（例如我们这些来自 格拉斯哥太空研究团队的研究人员）仍认为它 有望用于太空探索。
艺术家绘制的 LightSail 地球轨道示意图
行星学会／Rick Sternbach
人们希望，这将吸引更多大规模投资进入该领域，以开发相关技术，使太阳帆航行成为未来航天器的主要推进系统。我们几乎就要实现这一目标了！
本文最初发表于 The Conversation。请阅读 原文。刊载本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者： Matteo Ceriotti 是 格拉斯哥大学空间系统工程讲师。
图片：在这幅色彩斑斓的景象中，太阳即将从南太平洋上空升起。NASA/路透社提供。
