为什么“太阳帆”能在宇宙空间中航行？

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当古老海洋上的“帆船”逐渐淡出我们视野的时候，它以一种新的形式凤凰涅槃，依靠太阳光芒产生的动力徜徉于浩瀚的星海当中。看过《三体》小说的网友应该对太阳帆（光帆）不陌生，里面就有提到这种技术。

为什么“太阳帆”能在宇宙空间中航行？
“太阳帆”不需要任何燃料就能航行宇宙的奥秘在哪里？现在人类有没有“太阳帆”在航行宇宙？

什么是太阳帆？

太阳帆是一种不带机械动力装置的轻便航天器，它像帆船利用风的压力前进一样，利用太阳光的压力，作用在帆上来加速宇宙飞行器。

什么是光压？

那么，光有压力吗?回答是肯定的。当彗星飞近太阳时，彗星上的部分物质升华和蒸发为气体，形成一条总是背向太阳的尾巴，就是太阳光的压力作用的结果。从理论上来说，光是光子形成的，每个光子都有一定的动量。当光子撞在帆上被吸收时，按照动量守恒原理，帆就会获得动量增量，这就是光的压力。如光子被反射，压力还会增加。当然，光压是非常小的。

在地球上，一个绝对黑体，即光被完全吸收的物体，太阳光的压强不到一百亿分之一个大气压。但在太空真空中，太阳光压仍能发挥作用。早在20世纪20年代，齐奥尔科夫斯基就提出了太阳帆的概念。

著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。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“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。

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。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。

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，这一推理可使重约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。

IKAROS（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun，可译为依靠太阳辐射加速的星际风筝）是由日本宇宙航空研究开发机构开发的试验性太空探测器。

IKAROS于2010年5月21日以日本的 H-IIA 火箭和破晓号金星气象卫星以及其他四个小卫星一起发射。IKAROS 是世界第一个成功在行星际空间运作的太阳帆。该太阳帆的名字由日本航太工程师森治取名自希腊神话中的人物伊卡洛斯。

2010年12月8日，IKAROS 在距离金星 80,800 公里处飞掠过，并进入延伸任务阶段。

结构

IKAROS 是一个正方形的帆，以四个角落的 0.5 公斤末端载重控制旋转，帆的对角线长 20 米，使用厚 7.5 μm 的聚酰亚胺薄膜。薄膜式的太阳能电池阵列则嵌在帆内。80个 LCD 板被嵌在帆内，是以其反射率进行姿势控制。IKAROS 的科学酬载也包含了在帆的另一面装设的 8 个尘埃计数器。

任务里程

IKAROS 于2010年5月21日于日本的种子岛太空中心使用 H-IIA 火箭和破晓号金星气象卫星一起发射成功。

IKAROS 每分钟旋转 20 至 25 次，直到2010年6月11日太阳帆完全展开为止。IKAROS 包含两个小型的弹出式的摄影机 DCAM1 和 DCAM2。DCAM2 在太阳帆部署完成后于2010年7月14日开始拍摄太阳帆。

太阳帆于2010年6月10日部署完成。

在之后六个月前往金星的航行中，加速和姿势控制的测试成功。2010年7月9日 JAXA 确定 IKAROS 是使用太阳帆进行加速，再于7月23日宣布姿势控制成功。

IKAROS 在航行中持续以2 rpm 速度旋转以提供 LCD 板控制姿势时所需的循环时间。