太阳帆（太阳帆航天器的历史和发展）

地球上有各式各样的帆：船帆、车帆、冰帆……地球以外宇宙中也有帆，叫太阳帆。

目前，随着能源危机的加剧，对太阳能的研究也飞速发展。对地球来说，一年收到的太阳能是1970年全世界消耗的总能量的3万倍，可想而知，这是多么巨大的一笔送上门来的财富呀！

现在对太阳能的利用，只局限于热水供应、采暖、空调，虽然已经扩展到太阳能动力机、发电机、太阳能电池、太阳能汽车，但尚未全面应用。地球的能源来自于太阳，直接利用太阳能已到了刻不容缓的地步。

太阳照射在我们身上，不但把热量施加给我们，而且还把一定的压力压在我们身上，但由于人的感觉不够灵敏，察觉不出来。太阳光的压力简称“光压”。根据科学家的计算，在地球表面，安置一片能全部吸收的绝对黑体，在太阳光的照射下，产生的压力强度为0.49×10-2牛/平方米。别小看这“光压”，它却扫荡了太阳系中千千万万个微流星。

美国在1963年，为了便于通讯，在3 600千米高空的“米达斯”六号卫星上发射了无数个针形卫星，组成绕地球的环，把地面的无线电波反射回地球，但由于“光压”的作用，这些针形卫星被赶回了大气层。美国在1960年8月，发射了1 600千米高空的圆轨道“回声”一号卫星，是一个直径30米、重量只有68千克的轻球罐，在“光压”作用下，五个月后由圆轨道变为椭圆轨道，1868年5月也被赶回大气层。所以，500千米以上高空飞行的轻质或微小卫星，不得不考虑到太阳光压的作用。

太阳光压既然有能力扫荡微流星、微卫星、轻卫星，何不利用它作为星际航行的动力呢？是的，科学家正在致力于设计这种飞行器——太阳帆。

设想卫星飞行在外层空间，自动展开着几百米直径的轻质塑料布的太阳帆，在塑料布上涂有高级反射物质铝或银，迎着太阳送来的光压，太阳帆反射着太阳光压，冉冉而去，如童话中的“飞毯”，这是何等美妙和神奇呀！

太阳帆的帆面可以调节，当卫星运行轨道与太阳光线平行，可以使帆面与太阳光线垂直以便得到最大的光压，当卫星运行轨道与太阳光线垂直，可以收起太阳帆。

光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。
如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。
由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4—6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。太阳帆接受光压的作用，它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。
在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力，是因为它实在微小，一平方公里面积上的阳光压力总共才9牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力（太阳光的压力）就可以让它加速，太阳帆靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜，它们坚硬异常，表面上涂满了反射物质，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆板上后，帆板将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。因此，光帆的直径越大，获得的推力也越大，速度也将越快，改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。
阳光是不会枯竭，同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比，太阳光是无限的动力之源，只要有阳光存在的地方，它会始终推动飞船前进，光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用，那么它在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将增加160公里，100天后飞船的时速将增加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速度，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，而最快的传统飞船至少需要9年，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。

航天科技是我们的科技前沿，因此能在很多的航天器上看到最新的科技被使用，现如今的发射火箭方式都是通过液体火箭或者是固体火箭提供动力，那么无需燃料，也不用火箭作推力的太阳帆，是怎样的？太阳帆的展开面积非常大，能利用太阳产生的微小光压推动在太空中飞行的航天器前进，让我们来分析分析。

我们人类科技现如今已经到达了较高的水平，火箭的发射能力不断地升级变化，各类的火箭发射方式不断涌现，对于航天首先我们知道太阳帆是以通过非常大的。首先我们知道太阳帆是通过非常大面积的受力薄膜接收到太阳的光压产生推力，这样的动力方式非常适合用于星际旅行，使用太阳帆提供动力的航天器能够在太阳的光压下不断的前进，因此就不需要过多的燃料。

太阳帆的航天器就像在太空中的风筝。太阳产生的光压非常小，因此我们需要航天器展开非常大面积的受力帆，像航海在海面上的帆船一样。但是在几乎没有阻力的太空中受到小小的力也能为航天器提供很理想的动力，受力面越大的太阳帆航天器同理它的动力就越强劲，但是迎面而来的就是材料问题，因此科学家们要在太阳帆的材料上面下足功夫，不仅要使太阳帆的质量够轻受力够均匀，而且还有很好的折叠效果。1960年的美国发射了回声1号卫星，这个航天器它采用的就是太阳帆。

有太阳帆的航天器不仅能够节省很大部分的燃料，而且还能在星际当中利用到太阳的光压产生动力，所以这也是一种非常好的星际探索方式。我相信在不久的将来，会有更多优秀的航天器脱颖而出。

著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。但“太阳帆飞船”这一概念到20世纪20年代才明晰起来。1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出了“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆———这种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。“宇宙1号”的太阳帆面积为530.9平方米，由光压获得的推力仅为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约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，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。
由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的航天器快4～6倍。
理解这一点并不难。因为在太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度。比如，发射静止轨道卫星时，卫星先进入大椭圆地球转移轨道，待其运行到赤道上空3.6万公里的最大高度时，遥控指令激活卫星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十千克，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是这后加的推力使卫星产生新的速度，与原来的运动速度合成之后形成的最终速度为每秒3.075公里。太阳帆接受光压的作用，不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行。

二十世纪70年代，当3名宇航员乘坐阿波罗11号宇宙飞船实现具有历史意义的登月之旅时，20多米高的运载火箭共携带了2500吨燃料。为了摆脱庞大的运载工具，长期以来，人们一直设想开发一种以阳光为能源的光帆航天器。
20世纪初，几位科学幻想小说家曾写过有关用反射镜面推动宇宙飞船的故事。但直到1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希.灿德尔才明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆———一种包在硬质塑料上的超薄金属帆———的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

装有太阳帆的航天器以阳光作动力，不需要火箭也不需要燃料，只要展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆，即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间。它飞行起来很像大洋中的帆船，改变帆的倾角即可调整前进方向。而且只要几何形状和倾角适当，它可以飞向包括光源在内的任何方向。借助阳光的推力，这种航天器可以飞向太阳系的边缘并进入星际空间，如果辅以从地球轨道射出的强力激光束，它可以飞得更远，直至到达离太阳系最近的恒星。
人们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平米帆面上产生的推力只有0．9达因，还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。
1976年，美国喷气推进实验室的科学家曾提出过大规模建造太阳帆的计划。他们建议建造一艘帆飞船，与198 6年返回太阳系的哈雷彗星相会。但美国航空航天局认为这一方案面临的风险太大，从而中止了太阳帆的研究。近年来，随着微电子和材料科学的飞速发展，一直探索更快、更好、更便宜的空间飞行方式的美国宇航部门，重将目光投向了太阳帆计划。美国航空航天局的科学家们称，第一艘飞往太阳系边缘的光帆航天器可在10年内发射。
美国国家海洋与大气管理局和美国空军已提出建造用于监视太阳表面活动的太阳帆计划，它将用传统的火箭将帆飞船送到距地球150万千米的地方，在此，太阳的引力与地球的引力相互平衡。到达此处之后，航天器展开一个直径70 米的较小的帆，通过精心选择倾角，展开的帆即可提供所需的能量，使飞船向太阳方向继续飞行150万千米，并与地球保持同步。从这一有利地点，它就能监视干扰卫星和破坏地面电网的太阳磁暴，在磁暴袭击地球前2小时发出警报，这一时间几乎比目前的预警时间长了一倍。
除此之外，太阳帆计划还包括发射在高纬度绕地球飞行的商业卫星和一项飞向水星的计划。承担这种任务的帆要求面积更大，密度更低。专家们认为，利用一个边长100米、密度为每平米10克的帆提供动力，即可到达水星，而且速度比用火箭推进更快。
科学家认为，如果开发出边长200米、密度为每平米1至5克的帆，许多远距离探测将成为可能。如果帆的密度降到每平米1．5克，阳光在帆上产生的推力即可与太阳的引力相平衡。当航天器到达太阳极地上方时，即可长久地在此观察太阳的活动，这是迄今为止人类航天器从未到达的地点。如果将多个位于不同高度的航天器拍摄的太阳图像组合起来，就可以获得太阳的立体图形。
向太阳系外侧飞行的主要目标是土星。到达笼罩着一层甲烷的土卫六的帆航天器有类似的设计要求，科学家解释说，它到达那里要比火箭推进的探测器所用的时间少得多。
如同传统的飞船可以借助行星的引力改变航向并加速一样，帆飞船也可以借助太阳的引力改变航向并通过太阳辐射的推力获得加速。被加速的飞船靠近木星轨道后，太阳的辐射将变得很弱，飞船靠自身的动量继续向太阳系外侧飞行。依靠少量的化学推力，它们或许会降落在一些有趣的地点，如人们一直怀疑有一个海洋的土卫二上面等。
太阳帆的另一项任务是作为星际探测器，它将首次飞出太阳系，到达离太阳200个天文单位的地方（一个天文单位为地球到太阳的距离）。如要飞向更远的星际空间，就要穿过一个特殊地带。按照爱因斯坦的理论，每一个质量巨大的物体都可以成为一个引力透镜，使其后面的发光体发出的光线发生弯曲。在距太阳550个天文单位的距离，太阳的引力可使从遥远恒星发出的光汇聚并放大，如果将一个帆动力望远镜放在这一位置，就可以前所未有的清晰度看到遥远的物体，如围绕银河系中心运行的恒星。
帆航天器的最后一项任务是星际旅行。宇航专家们预测，未来的某一天，帆飞船将踏上飞往另一颗恒星的旅程。这将需要边长1000米、密度每平米0．1克的帆。此外，还需要建造一个强力激光器或微波源，为飞船提供辅助能量。飞船将依靠绕地球轨道运行的、比太阳光强6倍的强力激光器和一个置于土星和海王星间的面积为得克萨斯州大小的巨型聚焦透镜提供能量。这样飞船即可在太空以1/10光速的速度飞行，在40年时间内即可到达距我们最近的阿尔法半人马座恒星。

太阳光实质上是电磁波辐射，主要是由可见光和少量的红外光、紫外光组成。光具有波粒二象性，光对被照射物体所施的压力称为光压。光压的存在说明电磁波具有动量。?
在太空中，远离了大气，又不存在影响光压的介质，太阳帆上每平方米获得的光压是0.48×10-6吨。宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。?
如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约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，则它获得的1.5吨的推力，能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。由于来自太阳的光线提供了无尽的能源，携有大量太阳帆的航天器可以每小时24万公里的速度前进。这个速度要比以火箭推进的航天器快4～6倍。?
为什么推力小于航天器的重量仍能推动后者加速运动呢?因为在太空中运行的航天器处于失重状态，无空气阻力，只要加少许力的作用，就会改变运动方向和速度大小。如发射静止轨道卫星时，卫星先进入大椭圆地球同步转移轨道，待其运行到赤道上空3.6万公里的高度时，遥控指令启动星上远地点发动机工作，后者产生的推力仅为几十公斤，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置。原因就是后加的推力使卫星产生新速度，与原来的运动速度合成之后形成最终速度。远地点发动机完成任务后即关机，只有当卫星偏离预定位置时才再次点火，使其重新归位。太阳帆一直接受光压的作用，不仅能改变宇宙1号的运行轨道，而且能使其不断加速飞行。?

宾夕法尼亚大学的研究人员开发出了一种新材料，它轻到不会压弯树叶，而且也可能坚固到可以帮助卫星发射到太空的最远端。噢，它还是漂浮着的。

而且这也不是这种新材料的全部用途。事实上，未来的牵引车、抗癌物、救援行动的微型领路机器人也的确有可能由这种未来纸板制成。

或者说得更具体一些，未来的微型机器人可以用一种氧化铝“纳米纸板”制造，它的重量不到千分之一克，但足够坚固，可以弯曲而不断裂。这是一种很好的隔热材料，也就是说它在极端温度下也能很好地隔热。

宾夕法尼亚大学的研究人员将“纳米板”放在鸢尾的叶子上

这种极佳新材料的关键是它类似三明治的形状，相关研究人员称，这种形状使它的强度是完全实心材料的一万倍。该小组在一期《自然通讯》上发表了他们的发现。

“如果施加足够的压力，你就能大幅弯曲瓦楞纸板，但它会折断；被折过的地方会产生永久的折痕。”领导这项研究的宾夕法尼亚大学机械工程教授伊戈尔·巴加廷如是说。“这就是我们的纳米纸板的惊人之处；就算你弯曲它，它也会像什么都没发生一样恢复原状。这在宏观层面上没有先例。”

研究人员说，因为他们发现的这种纳米材料非常坚固和轻便，所以可以被应用在很多地方，从小的层面——例如为成群的鸟状微型机器人的翅膀提供材料——到航空航天领域更大的应用，例如开发轻型风帆。

显微镜下近距离观察纳米纸板

轻型风帆给人类提供了一种可能性，它使人类或许能更好地 探索 外太空的最远处而不必担心能源限制。它们不用风推动海上船只，而是通过捕捉太阳发出的微小光子来推动宇宙飞船或卫星，除此之外，它们基本上就像给船只提供动力的帆。

“另一个潜在的应用是星热光帆，设想在几十年内以高达20%的光速飞行到比邻星b，” 作者在论文中写道:“一些关键材料的要求包括质量密度低于0.1g m-2(相当于船帆厚度的约100 nm)，能够承受高温，以及足够的抗弯刚度来控制形状(从而控制推进方向)。”

研究人员还概述了其他应用，包括隔热和能量转换。当你加热它时，这种材料也会悬浮起来，这也可能是有用的，尽管研究人员似乎还不太确定具体如何应用。接下来，他们计划进一步调查这种新型纳米纸板的许多可能用例中哪一个最有希望。

相关知识

太阳帆（也称为光帆，特别是它使用来自于太阳以外的光源时）是使用巨大的薄膜镜片，以太阳的辐射压做为太空船推进力的一种计划。辐射压非常小，但不同于火箭的是，太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小，但是只要太阳继续照耀着，太阳帆就能继续运作。

图解：太阳帆的构想图。

太阳能集热器、温度控制面板和阳光下的树荫都可以视为特殊的太阳帆，太阳帆可以帮助在轨道上的太空船调整飞行姿态或是对轨道做少量的修正而无须耗费燃料，而用别的方法都必须消耗燃料才能操纵或控制飞行姿态。已经有一些小规模的，为特定目的建造的太阳帆被尝试过。一些无人太空船，像先锋10号，曾经成功的以这些技术延长了产品使用的期限。

太阳帆的科学性已经有良好的证明，但是处理大型太阳帆的技术仍未成熟，使得任务规划者不愿意贸然的投资下数以百万计的预算去开发太阳帆的操控结构。这种轻忽的心态使一些热心的民间机构试图私下发展，例如宇宙1号的计划。

太阳帆的观念是17世纪德国的天文学家约翰内斯·开普勒最早提出的 ，在1920年代后期，弗里德里希·灿德尔经过近十年的淬练才再度提出此一观念。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. inverse-James Dennin-大野今日子

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太阳帆飞船靠阳光漫游太空，不携带燃料并一直加速，是目前唯一可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器。太阳帆飞船是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供 10e－5～ 10e－3g左右的加速度。