撰稿 | 秉正（清華大學(xué) 碩士生）

一、馭光飛行

對(duì)于科幻迷來(lái)說(shuō)，電影《阿凡達(dá)》是不可磨滅的記憶。在電影中，人類(lèi)已經(jīng)具備了宇宙大航海的能力，ISV“冒險(xiǎn)星”號(hào)宇宙飛船更是顛覆了我們的想象?！懊半U(xiǎn)星”號(hào)的動(dòng)力來(lái)自于太陽(yáng)帆、反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)和核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)。

按照官方設(shè)定，在從地球飛往阿爾法星系的這一典型星際飛行任務(wù)中，“冒險(xiǎn)星”號(hào)會(huì)首先利用光帆，借助地球照射的激光，進(jìn)行為期近6個(gè)月的加速飛行，直至達(dá)到最高航行速度——0.7倍光速，并保持亞光速飛行5年多的時(shí)間；在抵達(dá)阿爾法星系前，該飛船會(huì)利用反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行為期近6個(gè)月的減速飛行；最后，該飛船會(huì)利用核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入潘多拉星的德?tīng)査?v軌道。

圖1：ISV“冒險(xiǎn)星”號(hào)宇宙飛船全貌。下方是潘多拉星，后方是波呂斐莫斯氣態(tài)巨行星 (圖源：電影《阿凡達(dá)》)

科學(xué)往往源于天馬行空的想象，電影中的場(chǎng)景或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。科學(xué)家們認(rèn)為，“太陽(yáng)帆”飛船可能是人類(lèi)星際旅行的希望之一，因?yàn)橐蕴?yáng)光作為動(dòng)力，不僅可以減少宇宙飛船攜帶的燃料重量，提高其機(jī)動(dòng)性，使其在太空停留更長(zhǎng)的時(shí)間，而且只要有陽(yáng)光存在的地方，它就會(huì)不斷獲得動(dòng)力加速飛行。

二、什么是太陽(yáng)帆?

大家經(jīng)?？梢栽诤Ｃ嫔峡吹椒?，對(duì)于帆船航行的原理，大家一定不陌生。那就是利用海風(fēng)吹拂在船帆上生成的氣壓，獲得帆船前進(jìn)的動(dòng)力。通過(guò)控制風(fēng)帆的旋轉(zhuǎn)角度，帆船甚至可以逆風(fēng)而行。

太陽(yáng)帆所運(yùn)用的原理也與帆船航行的原理類(lèi)似。太陽(yáng)也有風(fēng)，即從太陽(yáng)外層大氣不斷發(fā)射出來(lái)的穩(wěn)定離子流，但太陽(yáng)帆利用的并不是太陽(yáng)風(fēng)，而是推動(dòng)力比太陽(yáng)風(fēng)還要大1000多倍的太陽(yáng)光。

圖2：太陽(yáng)帆藝術(shù)效果圖 (圖源：Breakthrough Starshot)

由于太陽(yáng)光壓產(chǎn)生的推力很小，所以基于太陽(yáng)帆的航天器不能從地面起飛。太空中運(yùn)行的航天器處于失重狀態(tài)，再加上沒(méi)有空氣阻力，所以輕微的太陽(yáng)光壓就可以讓它加速，使得太陽(yáng)帆不需要攜帶燃料就可以推動(dòng)航天器不斷加速。

來(lái)自太陽(yáng)的光線(xiàn)提供了無(wú)窮無(wú)盡的推動(dòng)力，理論上能夠使裝有大型太陽(yáng)帆的航天器最終達(dá)到24萬(wàn)公里/小時(shí)的速度。太陽(yáng)帆甚至可以成為目前唯一可能乘載人類(lèi)到達(dá)太陽(yáng)系外星系的航天器概念。

太陽(yáng)帆主要是由反射薄膜、支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)帆展開(kāi)組件等組成。為了減輕飛行器的重量，增大受光面積，需要采用超薄和大面積的太陽(yáng)帆面。其材料還必須具有優(yōu)異的空間穩(wěn)定性，耐高低溫性能，優(yōu)良的綜合力學(xué)強(qiáng)度，以及易于成形和大面積制備等特點(diǎn)。此外，為了滿(mǎn)足太陽(yáng)極圖拍攝等任務(wù)，太陽(yáng)帆材料還需要能夠?qū)μ?yáng)帆本身的姿態(tài)和航行進(jìn)行調(diào)控。

圖3（Gif）：太陽(yáng)帆效果演示 (圖源：The Planetary Society)

鑒于此，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的Artur R. Davoyan、美國(guó)國(guó)家航空航天局的Les Johnson（科幻小說(shuō)作家、NASA太陽(yáng)帆首席研究員）等人以“Photonic materials for interstellar solar sailing”為題在Optica上發(fā)表綜述文章。

該文章描述了面向下一代太陽(yáng)帆光學(xué)材料和光子設(shè)計(jì)相關(guān)的要求和挑戰(zhàn)。概述了技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖，以指導(dǎo)研究人員開(kāi)創(chuàng)太空未來(lái)。

三、星際推進(jìn)技術(shù)

目前太空推進(jìn)主要手段為化學(xué)推進(jìn)和電力推進(jìn)技術(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)推進(jìn)火箭是載人和星際任務(wù)的支柱，而電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如等離子體和電噴霧推進(jìn)器，則用于空間站保持和有效的軌道機(jī)動(dòng)。他們的本質(zhì)都是通過(guò)排出飛船上的燃料從而產(chǎn)生推動(dòng)力。

而燃料排出的量和速度會(huì)直接影響飛船的速度和能夠到達(dá)的位置。其本身較為粗笨，而且無(wú)法滿(mǎn)足一些航行任務(wù)的需要。因此，尋找更高效和更先進(jìn)的推進(jìn)方法成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

太陽(yáng)帆無(wú)需攜帶推進(jìn)劑，利用太陽(yáng)輻射壓力與重力相平衡，能夠到達(dá)傳統(tǒng)推進(jìn)方式無(wú)法到達(dá)的位置，包含暈輪軌道和高傾角軌道。圖4所示為太陽(yáng)帆的受力示意圖。太陽(yáng)帆的速度依賴(lài)于其光學(xué)特性（例如材料對(duì)太陽(yáng)的吸收率和反射率），帆面積與航天器總質(zhì)量比（A/m）以及近日點(diǎn)（d0)。A/m和d?越小，飛船的速度越快。以下討論關(guān)于太陽(yáng)帆的討論適用于接近太陽(yáng)時(shí)的情況。

圖4：太陽(yáng)帆受力圖，F(xiàn)G為引力，將太陽(yáng)帆拉向太陽(yáng)，F(xiàn)P為太陽(yáng)輻射壓力，將太陽(yáng)帆推離太陽(yáng) (圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正)

四、材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)距離太陽(yáng)0.1 AU（約為20個(gè)太陽(yáng)半徑）時(shí)，太陽(yáng)帆所承受的太陽(yáng)輻射是在地球上的100倍。這雖然保證了較高的巡航速度，但是一不小心就會(huì)導(dǎo)致材料的熱損壞。而輻射冷卻作為唯一的溫度調(diào)節(jié)機(jī)制，用來(lái)平衡入射和其他輻射產(chǎn)生的熱量。平衡如圖5所示。

圖5：太陽(yáng)帆能量平衡示意圖(圖源：Optica)

因此在材料的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中，低吸收率，高反射率變得尤重要。布拉格鏡子，超表面，光子晶體等方式相對(duì)于傳統(tǒng)的太陽(yáng)帆材料可以獲得更薄，更輕的反射體。

五. 對(duì)帆的主動(dòng)調(diào)控

除了重量輕和高反射率的需求之外，控制陽(yáng)光散射的方向和強(qiáng)度也尤為重要，其可以用來(lái)調(diào)控太陽(yáng)帆的姿態(tài)。目前是采用笨重且復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)調(diào)控輻射壓力和相關(guān)的動(dòng)力。

可調(diào)控光的相位和強(qiáng)度的材料目前是一研究熱點(diǎn)。液晶和光柵等可以改變?nèi)肷涔獾姆较颍瑥亩淖児獾膫鞑シ较?，繼而改變光的動(dòng)量。帆為了互補(bǔ)從而獲得了動(dòng)量。因此，對(duì)反射或折射的任意控制可以實(shí)現(xiàn)有效的動(dòng)量傳遞和對(duì)帆的任意控制，不僅允許向前推進(jìn)，還可以提高和降低帆的軌道。

如圖6所示，薄膜控制局部反射強(qiáng)度，獲得所需的輻射壓力分布從而控制推力和扭矩。

圖6：控制反射強(qiáng)度從而獲得推力和轉(zhuǎn)矩示意圖（圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正）

六、太空航行的環(huán)境影響

在距離太陽(yáng)0.1 AU，或者大約20倍太陽(yáng)直徑的位置 ，其周?chē)h(huán)境與地球情況大為不同。雖然未到達(dá)日冕的位置，太陽(yáng)風(fēng)會(huì)與太陽(yáng)帆相互作用。在這個(gè)距離，太陽(yáng)帆面對(duì)的太空環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其老化等問(wèn)題。

如圖7所示，H和He離子（時(shí)速可達(dá)100-1000 Km/s），X和γ射線(xiàn)等會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)帆產(chǎn)生氣泡，表面濺射，開(kāi)裂，剝落和分層等情況。而等離子體與納米光子結(jié)構(gòu)特別是薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相互作用及其對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光學(xué)性能的影響尚不清楚。對(duì)其進(jìn)一步的研究是很迫切的。

圖7：太陽(yáng)等離子體和高能粒子對(duì)太陽(yáng)帆的影響（圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正）

七、下一代太陽(yáng)帆

太陽(yáng)帆為人類(lèi)更近距離接近太陽(yáng)提供了可能。但是作為星際航行的太陽(yáng)帆仍舊需要克服眾多科研難題，才能實(shí)現(xiàn)更加先進(jìn)的馭光飛行。

圖8的靈感來(lái)源于相鄰星際地圖，其中列舉了為了完成星際航行所需研究的領(lǐng)域，距離圓心越遠(yuǎn)，代表需要做出的努力越多。

圖8：星際太陽(yáng)帆材料路線(xiàn)圖（圖源：Optica / 圖譯：撰稿人 秉正）

例如，調(diào)控反射和透射的超材料可以有效地控制太陽(yáng)帆的姿態(tài)以及航行。高溫光子材料則使近距離飛近太陽(yáng)，探測(cè)太陽(yáng)大氣和以前所未有的速度推進(jìn)星際空間變?yōu)榭赡?。因此為了進(jìn)一步推進(jìn)太陽(yáng)帆的極限，在材料科學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域仍舊需要投入大量的精力。

相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著相關(guān)材料科學(xué)和納米技術(shù)的進(jìn)步，下一代太陽(yáng)帆可以承擔(dān)起重要太空探索任務(wù)的重任，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)在宇宙大航海的夢(mèng)想。

論文信息：

Artur R. Davoyan, Jeremy N. Munday, Nelson Tabiryan, Grover A. Swartzlander, and Les Johnson, "Photonic materials for interstellar solar sailing," Optica 8, 722-734 (2021)

論文地址：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.417007

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參考資料：

[1]《太陽(yáng)帆：在太空中馭光而行不是夢(mèng)》，中國(guó)航天報(bào)

[2]  《從星際到大氣：電影《阿凡達(dá)》中的飛行器設(shè)定》，成都立巢航空博物館

[3] 《LightSail – Flight by Light》, The Planetary Society

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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