21世纪的太空飞行器-宇宙1号光帆的前世今生

展开帆体的“宇宙1号”
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潜艇发射“宇宙1号”　美国行星学会迈克尔·卡洛尔／绘制

“宇宙1号”的飞行器模型，此时光帆的帆叶还未安装上去

在2001年7月的那次试验中，携带第一个“宇宙1号”的火箭正在往潜艇上吊装

　　□萧楠

　　被一再推迟发射的“宇宙1号”将于6月下旬发射升空，如果这一次能够成功，它将不仅成为第一个真正以太阳光为动力的“太空帆船”，还将是第一个由非政府组织发射并进入轨道的飞行器

　　因为一再推迟发射日期，半年多来，有关“宇宙1号”光帆(亦译为太阳帆)的消息可谓吊足了媒体的胃口。这一次，它似乎真的不准备再推迟了。如果一切顺利的话，“宇宙1号”将在2005年6月21日进入太空，并在其后几天内展开它优美的帆体。

　　这个以阳光作为动力来推动前进的宇宙飞行器，并不是以我们常见的地面火箭升空的方式带入太空，而将以潜艇水下发射的独特形式开始它的航程。它在发射前三四星期就已被带到俄罗斯摩尔曼斯克市附近的瑟沃摩尔斯克(Severmorsk)海军基地，在之后的几星期，经过对光帆的检测和电池设备等的安装和充电，便安置在三级的“波浪”火箭(Volna)的弹头部，并在发射前三天将火箭运到德耳塔III型潜艇上。目前，“宇宙1号”正安卧在潜艇中，等待距离发射时间半天的时候开始出海，前往位于巴伦支海的发射地点。人类的一个梦想，现在正寄托在这艘潜艇之上，这个梦想，就是光帆宇宙飞行器。

　　无限的动力之源

　　我们的祖先，很早就学会制造帆，从而利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补自己划桨力量的不足，在江湖和大海中远航。对于正在探索宇宙的人类来说，现代飞船有限的化学燃料能提供的推动力同样不是很有效，所以如果能像我们祖先一样去利用宇宙中的免费动力，就成为了一个很好的选择。不过，太空中虽然有太阳风这种可以同地球上的风相比拟的动力，科学家们却没打算利用它们，科学家们关注的，是推动力比太阳风大1000多倍的阳光。即将起航的“宇宙1号”就是用它面积达600平方米的反光性极好的光帆来感受阳光的微弱压力，从而不断提升自己的速度。

　　阳光的压力是微小的，我们之所以在最强烈的阳光下也感觉不到任何压力，是因为这个力量在一平方公里的面积上也一共只有9牛顿。但它的好处是不会枯竭，同火箭和航天飞机迅速消耗完毕的燃料相比，阳光是无限的动力之源，会始终推动“宇宙1号”前进。“宇宙1号”的光帆是非常轻而薄的聚酯薄膜，所以轻微的推力就可以给它加速，如果把它当作真正的宇宙飞行器使用的话，那么在它进入太空并展开光帆1天后，它的时速将增加160公里，100天后，“宇宙1号”的时速能达到16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时16万公里，这是人类任何飞行器都没有达到过的高速，相当于人类的宇宙探测先驱旅行者号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里达到，而美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

　　弗里德曼的梦想

　　然而，光帆虽然有很多优越之处，它的发展却不是一帆风顺的。“宇宙1号”的今天，包含了人类将近一个世纪的梦想和曲折，也包含了它的设计者路易斯·弗里德曼半生的梦想。

　　光帆的概念一般被认为是科幻小说家阿瑟·克拉克在他的小说《太阳帆船》里最先提出来的，但喜欢当发明发现鼻祖的俄国人考证出是俄罗斯人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在1921年最先提出的。不过的确是克拉克以科幻小说独有的魅力让光帆的概念深入人心。而弗里德曼也因此毕生致力于推动光帆科技的发展，在1970年代他就职于美国宇航局喷气推进实验室的时候，他提出利用一个64万平方米的巨帆航向哈雷彗星进行探测的思路，美国宇航局认为太过冒险而没有采纳。他后来离开美国宇航局后，和他人一起组建了美国行星学会，在致力于推动国际太空合作的同时，始终念念不忘他的光帆梦想。而他推动国际太空合作的工作则让他认识了许多俄罗斯宇航科学家和工程师，弗里德曼最终从他们中找到了志同道合的伙伴，共同建造并发射人类的第一个光帆。

　　合作中的投资方是弗里德曼的美国行星学会，投资金额为400万美元，按照弗里德曼的说法，这不过是美国宇航局每年仅仅在论文研究这种纸面文章上的花费而已。负责建造的是位于莫斯科的一家前苏联的航空航天公司NPO　Lavochkin，这家公司在发射折叠飞行器并在太空张开方面有经验，而光帆的帆桅就是折叠发射并在太空中张开。被以俄语命名为“宇宙1号”的光帆将安装在一枚由导弹改装后的火箭顶部，由一艘俄罗斯潜艇进行水下发射。在莫斯科进行的一次计划审核之后，俄罗斯顾问告诉弗里德曼，这个计划的成功率是70%，一直梦想这天的弗里德曼回答：“你给我70%的成功率，嘿，我接受！”

　　但是，上天似乎要给弗里德曼的梦想更多的磨难，该项计划在实施的过程中遇到了重重困难。2001年4月，它在地面试验过程中，一些线路短路造成该飞船的一些元器件和电缆受到损害，亚轨道飞行的时间一推再推。2001年7月20日，人类的第一个光帆“宇宙1号”从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，但亚轨道释放却失败了，光帆没有能够和火箭分离，一起落入大海消失。第一个“宇宙1号”就这样以失败告终。

　　第二个“宇宙1号”

　　但人类的梦想和实践并不会就此结束，2004年8月9日，日本人研制的光帆升空并进行了170公里高的短暂亚轨道实验，打开了两个10米的树脂薄膜帆，检验了光帆展开的可行性，之后火箭和光帆坠入大海。与此同时，美国宇航局也在缓慢推进，对光帆的材料和伸展进行研究。而一个以美国得克萨斯州为基地的组织则宣布，将把愿意支付费用的顾客的信息、图画、照片、DNA样本利用光帆发送到星际空间。不过，这一切都和真正实现光帆的梦想有着距离，得州的组织距离发射还很遥远，美国宇航局的光帆到现在还安静地躺在实验室的真空玻璃箱内，而日本的亚轨道实验也只是检验了展开，没有实验阳光的推进效果。

　　命运，又一次转回弗里德曼的身上，在第一个“宇宙1号”失败后，他没有放弃，而是决定重新建造新的光帆，名字依旧是“宇宙1号”，而且决定，下一次将不再重复短暂的亚轨道飞行，而直接进行轨道实验。而这，就是马上就将由俄罗斯核潜艇从巴伦支海发射的浴火重生的凤凰。尽管出于谨慎为保万全，发射日期被一再推迟，从最初的3月推迟到4月再推迟到5月底，再推迟到6月下旬。

　　发射后，“波浪”火箭的三级箭体发动机将一共工作6分钟，之后，连在弹头部的远地入轨发动机将工作70秒，使“宇宙1号”最终进入同地球赤道倾角78度，高度825公里的轨道，这将使新的“宇宙1号”成为第一个进入真正轨道的光帆，而之前的光帆最多也只进行了亚轨道飞行。入轨后，光帆外面的防护罩将被抛弃，留下“宇宙1号”自身以每分钟22转的速度自转。整个过程，从发射到这时，一共是将近20分钟。

　　“宇宙1号”的发射方向将是从巴伦支海出发，经过俄罗斯北部、西伯利亚、堪察加半岛，在太平洋上空开始入轨。由于入轨是个非常重要的时刻，一个小失误就可能导致整个任务的失败，所以弗里德曼在堪察加半岛东缘和太平洋中部的马绍尔群岛上设立了两个移动地面跟踪站，负责跟踪接收来自“宇宙1号”的讯号。其中堪察加半岛跟踪站负责跟踪远地入轨发动机点火之后一段时间的讯号，马绍尔群岛的跟踪站则处于“宇宙1号”进入轨道后的跟踪位置，“宇宙1号”入轨4分钟后将正好经过该跟踪站的上空，当“宇宙1号”入轨完毕后，这两个跟踪站就结束其使命。此外，负责长期跟踪联系的固定地面站还在俄罗斯、捷克、美国的加州和阿拉斯加设立。单看到这些安排，就知道弗里德曼和他的同事们为此的确付出了相当的心血。

　　这次会成功吗

　　“宇宙1号”进入轨道后的最初几天内，将不会张开帆，而是像蛰伏的蛹一样蜷缩着静静漂浮，对于像弗里德曼这样期待半生，又经历了多次挫折和延迟的人来说，是不缺少这几天的耐心的。头几天将被用于检测“宇宙1号”上的各个系统，高度控制发动机也将点火以保持其轨道的稳定，负责拍摄照片的照相机要被检测，而离子分析仪则要开始搜集数据，以便同帆体展开后的数据进行比较。

　　最关键的时刻，会在发射几天后到来，展开帆体的命令将由位于俄罗斯莫斯科的地面站发出。接到命令后，“宇宙1号”将首先展开它8片长15米的三角形帆中的4片，如果一切顺利，几分钟后将再展开其余4片。不过，控制人员也可能选择让“宇宙1号”再环绕地球飞行一周后，在重新回到莫斯科控制站上空后再展开第二组的4片。到所有帆叶都打开后，“宇宙1号”就真正成为了一个光帆飞船。

　　在最初的日子里，“宇宙1号”的帆叶将保持在图中的位置固定不动，使得控制人员和弗里德曼他们能有机会仔细观察“宇宙1号”的姿态和行为。在几天后，控制人员才会调整帆叶的方向，让其对正太阳，或者反过来同太阳成垂直方向。当对正太阳后，阳光的持续压力将会把整个光帆逐渐提升到更高的轨道。如果出现了这种情况，就证明了光压的推动效果。

　　不过，弗里德曼也认为，在整个任务的众多挑战中，光帆的姿态控制是相当有难度的一关，没人知道它的稳定性能到底如何，不知道它是否会像强风中的风筝一样被扭曲弯折。在放风筝的人的手中，有一根丝线牢牢地控制着风筝的姿态对准风向，而“宇宙1号”的控制人员，却只能用看不见的电波来遥控它对准阳光，一旦出现技术问题，“宇宙1号”就可能被阳光“吹”偏侧身，并从此迷失方向。

　　由于这一次的飞行仍旧是实验性的，所以“宇宙1号”的飞行时间也不会持续很长。在一个月内，聚酯薄膜的帆体就将在太空炽烈的阳光下逐渐降解，支撑帆体的帆桁的强度也会弱化。那时，“宇宙1号”的轨道高度就会逐渐衰减，直到有一天成为落入地球大气的一团火球。不过，也有可能在那之前被阳光提升到足够的高度，成为人类第一次光帆飞行的成功纪念碑。

　　不过，首先还是让我们关注“宇宙1号”的发射是否成功。如果“宇宙1号”能够成功，它将不仅成为第一个真正的光帆，而且将是第一个由非政府组织发射并进入轨道的飞行器。“宇宙1号”的成功，必将为人类的太空探索时代翻开新的一页。

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