驭光飞行！太阳帆的材料与设计

撰稿 | 秉正（清华大学 硕士生）
一、驭光飞行
对于科幻迷来说，电影《阿凡达》是不可磨灭的记忆。在电影中，人类已经具备了宇宙大航海的能力，ISV“冒险星”号宇宙飞船更是颠覆了我们的想象。“冒险星”号的动力来自于太阳帆、反物质发动机和核聚变发动机。
按照官方设定，在从地球飞往阿尔法星系的这一典型星际飞行任务中，“冒险星”号会首先利用光帆，借助地球照射的激光，进行为期近6个月的加速飞行，直至达到最高航行速度——0.7倍光速，并保持亚光速飞行5年多的时间；在抵达阿尔法星系前，该飞船会利用反物质发动机进行为期近6个月的减速飞行；最后，该飞船会利用核聚变发动机进入潘多拉星的德尔塔-v轨道。

图1：ISV“冒险星”号宇宙飞船全貌。下方是潘多拉星，后方是波吕斐莫斯气态巨行星 (图源：电影《阿凡达》)
科学往往源于天马行空的想象，电影中的场景或将成为现实。科学家们认为，“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的希望之一，因为以太阳光作为动力，不仅可以减少宇宙飞船携带的燃料重量，提高其机动性，使其在太空停留更长的时间，而且只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行。
二、什么是太阳帆?
大家经常可以在海面上看到帆船，对于帆船航行的原理，大家一定不陌生。那就是利用海风吹拂在船帆上生成的气压，获得帆船前进的动力。通过控制风帆的旋转角度，帆船甚至可以逆风而行。
太阳帆所运用的原理也与帆船航行的原理类似。太阳也有风，即从太阳外层大气不断发射出来的稳定离子流，但太阳帆利用的并不是太阳风，而是推动力比太阳风还要大1000多倍的太阳光。

图2：太阳帆艺术效果图 (图源：Breakthrough Starshot)
由于太阳光压产生的推力很小，所以基于太阳帆的航天器不能从地面起飞。太空中运行的航天器处于失重状态，再加上没有空气阻力，所以轻微的太阳光压就可以让它加速，使得太阳帆不需要携带燃料就可以推动航天器不断加速。