光子徐來 我自盛開_風聞

原創：牧夫天文

原創：王茸

校對：王婧彧 楊伯順

美編：崔鬱

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

6月25日, 現實版鋼鐵俠馬斯克先生的SpaceX又出了奇招。“獵鷹”重型火箭第三次成功發射，而且還是首次在夜間發射。本次獵鷹發射可謂是乘客眾多，熙熙攘攘，服務羣體既滿足了官需，又補給了民用，還照顧到了NGO。

官需是指美國空軍的太空實驗計劃2（STP2）以及NASA的深空原子鐘（DSAC）,

補給了民用是指此次發射還拓寬了人類殯葬業務的疆界，攜帶了Celestis公司152名客户的少量骨灰，切實實現了“宇宙這麼大，帶你的骨灰去看看”的承諾，可謂“骨灰的一小步，葬禮行業的一大步”。照顧到了的NGO指的就是本文的主角，非營利組織行星協會設計的光帆2號(LightSail 2)太陽帆實驗飛船。

太陽帆技術(Solar

Sailing)主要指的是利用太陽光壓持續推進航天器的技術，從而使航天器無需攜帶大量燃料也可以在軌道中運行並順利完成科學任務。與此相關的剛柔耦合以及姿態控制，也是近些年來研究太陽帆技術的熱點。由於推力太小，這類航天器無法從地面起飛，需要搭載火箭進入太空。但太空中並不存在空氣阻力，太陽光壓所產生的小小推力仍然能為太陽帆提供動能。目前地球軌道的太陽帆已經過測試，未來在更遠的空間以及星際間的測試也並非遙遙無期。

Ikaros: 前行者伊卡洛斯

偉大的天文學家開普勒在17世紀初就已經發現彗尾總是背向太陽，推斷太陽光壓可能和此相關。通過光壓推進的航天器一般都需要一面巨大的帆，此帆需要由輕薄且可反射的材料製作。本文的主角——“光帆2號”，並不是唯一的可能成功論證光帆動力的航天器飛船。2005年時，行星學會就主導發射過全球第一個太陽帆航天器”宇宙1號” (Cosmos 1)，但由於火箭故障未能進入軌道。2010年，日本的伊卡洛斯(Ikaros) 成功展示了太陽帆技術。（作者注: 伊卡洛斯是希臘神話中的人物，他與父親用羽毛和蠟製造了羽翼來逃離克里特島。但伊卡洛斯由於飛得過高導致太陽光融化了蠟致使羽毛散掉，從而葬身大海，埋葬伊卡洛斯屍體的海島便成為伊卡利亞。）

日本於2010年發射伊卡洛斯探測器，是世界上第一個利用太陽帆行駛在地外空間的探測器。

(Credit: JAXA)

伊卡洛斯於2010年5月搭乘日本H-2火箭升空，同期乘客裏還有著名的“曉”金星探測器(Akatsuki，同樣也是歷經困難終於在2015年底進入金星軌道)。Ikaros成功展示了光子在撞擊到太陽帆後可以產生的效果。誠然，每一個光子能量微小，僅能產生十分微弱的推力，但假以時日，聚沙成塔，這些由每個微小光子產生的推力匯聚在一起便可以推進太陽帆前進。

但伊卡洛斯並不是完全依靠光壓推進的航天器，在它那面像風箏一樣的帆面上還嵌入了太陽能電池來供電。儘管這次飛行並不指望太陽能電池產生多少電力，更多的是為了之後那些不僅使用光帆，而且利用電池來推進的航天器任務做準備。伊卡洛斯在2010年6月用一種特別的自旋方式展開了自己14米寬的帆面。航天界之前普遍認為自旋展開對技術的要求極高，但日本這次伊卡洛斯的成功展開為航天界在太陽帆自旋展開技術層面的延伸和繼續探索展示了巨大的潛力。同年7月, 日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)聲稱捕獲了第一枚光子的推進。

接着，日本的研究人員開始利用太陽光在光帆邊緣的不同壓力來控制伊卡洛斯的方向。後來的實驗結果顯示，研究人員可以控制大約90%的光帆角度。從實驗角度來看，伊卡洛斯的任務完成得相當出色。

LightSail: 盜火者光帆1號

2015年6月8日，光帆1號成功展開帆面後的歷史性一刻。

(Credit: The Planetary Society)

光帆1號於2015年5月20日進入低地球軌道，主要肩負着向人類展示光帆核心系統運作的可行性任務。然而，光帆1號的漫遊並非一帆風順，在成功展開它那面344平方英尺(約32平方米)的帆面前，它就遇到了兩次軌道故障。升空兩天後光帆1號失聯，幸好在一週後重啓恢復了與地球的聯繫，這有可能是飛行控制軟件出現問題導致了死機。6月3日揚帆之後，它由於電壓故障再度失聯，經歷了兩三天才恢復穩定。由於在地球低軌道進行實驗，光帆1號在完成任務後便直接墜入地球大氣層。

光帆1號的歷程起伏跌宕，坎坷不斷，完全體現了航天科學試錯、排除困難、再次試錯的不懈精神。開創性的貢獻，使它成為太陽能航天器界的盜火者。

LightSail 2: 後繼者光帆2號

光帆2號遨遊地球上空藝術想象圖。

(Credit: Josh Spradling/The Planetary Society)

歲月流逝，光帆2號繼承前賢之使命與遺志，再次起航。這個立方體衞星(Cubesat)重約5公斤，大約是麪包大小。別看個頭小，它肩負的任務依然艱鉅。這次發射以及後續的研究主要是為了證明光帆是可以推進衞星在太空中運行的有效方法，而且光帆2號希望自己可以成為第一個只依靠太陽光推進在地球軌道運行的航天器。眾所周知，燃料又貴又重，要是可以證明這種利用太陽釋放光子提供推進動力的技術可行，那也許未來的深空探測任務就不用受制於“貴重”的燃料啦。

2019年6月25日，光帆2號隨獵鷹火箭發射升空，7月2日脱離運載火箭Prox-1並向地球發出了第一個信號。該信號發自光帆2號最近展開的無線電天線。據官方人員稱，光帆2號已經開始傳輸狀態數據以及摩斯電碼形式的信號。光帆小組的研究成員們會對光帆2號進行狀態檢查，上傳軌道信息來幫助它分辨南北西東和自己的位置，然後用那兩枚嵌入太陽能板中的廣角相機拍一些測試照片。

從這個角度看，展開後的光帆2號很像一塊大大的手帕。

(Credit: The Planetary Society)

如果光帆2號順利通過了73項“健康檢查”，本週初，這個小個子會展開它那薄如蟬翼的四面帆，最後達到一個拳擊場大小的面積（約32平方米）。屆時，太陽光將給這個小傢伙温柔地一推，之後的一個月裏，科研人員將密切關注光帆2號的軌道是否發生位移。

當光帆2號的帆面完全展開後，它就會利用動量輪來調整帆的方向，就像帆船一樣利用風和帆來進行轉向。迎風航行時，也就是迎着太陽行駛時，光帆會保持一定的傾角，有效利用推力。順風航行時，也就是背向太陽行駛時，光帆會舒展帆型以適應側向邊緣接觸的光子，獲取微弱的推力。要想理解光壓的微弱程度，大家可以想象為一枚回形針在你手掌上的壓強。而這些關於推力、光壓以及位移的數據和研究結果將幫助論證光帆在推進航天器方面的可行性。或許未來的某一天，我們真的可以利用太陽光壓，漫遊宇宙。

如果大家是光帆2號的粉絲，可以瀏覽http://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/lightsail-mission-control.html 去關注它的狀態, 還可以看看它何時會飛掠你的上空，在光污染不嚴重的區域，有機會裸眼看到光帆2號會是很有樂趣的一件事。

上圖就是大家瀏覽行星學會網站時可以看到的光帆2號軌跡圖, 小傢伙正要飛掠馬達加斯加呢 (北京時間:2019年7月7日 9:06 AM)，希望仰望星空的大家也可以發現它，祝福它。

(Credit: The Planetary Society)

人類奔向太空，始終步履不停。大航海時代的精神，穿越地球的海洋區域到達了更高的太空，利用風帆原理在太空裏遠行的太陽帆，或許昭示着下一代飛船發動機的未來。

參考文獻:

1. LightSail 2 Sends Back 1st Signals from Its Solar-Surfing Test Flight, link: https://www.space.com/lightsail-2-sends-back-first-signals.html

2. What to Expect When LightSail 2 Launches into Space, link: https://www.space.com/what-to-expect-lightsail-2-solar-sail.html

3. Ikaros: First Successful Solar Sail, link: https://www.space.com/25800-ikaros-solar-sail.html

4. LightSail Spacecraft Snaps Solar Sail Selfie in Space, link: https://www.space.com/29628-lightsail-solar-sail-success-photo.html

5. Sailing on Sunbeams: Planetary Society’s LightSail 2 to Soar Higher Than Space Station, link: https://www.space.com/lightsail-2-solar-sail-planetary-society-spacecraft.html

6. 太陽帆航天器的關鍵技術 作者:胡海巖 發表於《深空探測學報》 2016年4期

7. LightSail 2 Healthy as Mission Team Continues Spacecraft Checkouts,link: http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/lightsail-2-healthy-checkouts.html

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壯麗與廣袤的太陽日冕