依靠风帆作为航船推进的动力,这种方式自古有之,但你听说过利用帆来驱动的宇宙飞船吗?
早在400多年前,德国天文学家开普勒就曾提出这个设想,希望制造一种仅依靠太阳光作为动力就可邀游太空的“宇宙帆船”。19世纪法国科幻作家凡尔纳在《从地球到月球》一书中也曾提出“太阳帆飞船”。
但直到20世纪,科学家们认识到太阳光是由具有一定动量的光子组成的,速度达30万km/s,当这些光子撞击到物体时便能产生反作用力。尽管这种力量极其微小,每平方米的推力甚至还不如一只蚂蚁的力量大,但只要“帆”的面积足够大,飞船就可像帆船借助风力推进一样,借助太阳光的推力前进。
从20世纪60年代开始,美国、俄罗斯以及欧洲和日本的航天科学家开始研究如何利用太阳光粒子使其成为宇宙飞船的动力。传统的运载火箭依靠其携带的化学燃料通过燃烧时所产生的冲力来推动航天器飞行,但火箭发动机仅燃烧几分钟,以后航天器完全靠惯性飞行或借助行星的引力加速,而太阳帆飞船尽管开始时速度很慢,但太阳光对帆的推动会一直持续下去,最终使飞船达到非常高的速度。通过改变帆相对于阳光的角度,可以控制太阳帆飞船的航行速度,或令其改变飞行方向。
为了最大限度地从阳光中获得加速度,太阳帆必须造得很大很轻,而且表面要光滑如镜,以便将阳光尽可能全部反射出去,增大飞船的推力。根据理论计算,如果帆的面积为60万m2,可获得的速度增量是1mm/s,1天后太阳帆的速度就可达到310km/h,12天后达到3700km/h,100天后达到1.6万km/h,1年后便可加速到5.8万km/h。按照这样的速度,飞船不出5年就能到达冥王星。而美国目前航行速度最快的“新地平线号”飞船,需要9年多时间才能到达那里。1977年发射的“旅行者号”飞船花了27年时间才飞到太阳系的边缘处,而太阳帆飞船不出10年便会赶上它。
实际上在太阳系中航行,离太阳越远,光线就越弱。一旦飞船飞出木星轨道以外,阳光便无法再为飞船提供加速的动力。一些科学家提议,飞船上可自备激光装置,用激光推动太空帆前进。利用这种方法,太空帆飞船到达距离地球最近的恒星半人马座(距离地球4.3光年)只需数十年,而普通飞船需要花8万年才能到达那里。