驭光飞行！太阳帆的材料与设计(2)

来自太阳的光线提供了无穷无尽的推动力，理论上能够使装有大型太阳帆的航天器最终达到24万公里/小时的速度。太阳帆甚至可以成为目前唯一可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器概念。
太阳帆主要是由反射薄膜、支撑结构、太阳帆展开组件等组成。为了减轻飞行器的重量，增大受光面积，需要采用超薄和大面积的太阳帆面。其材料还必须具有优异的空间稳定性，耐高低温性能，优良的综合力学强度，以及易于成形和大面积制备等特点。此外，为了满足太阳极图拍摄等任务，太阳帆材料还需要能够对太阳帆本身的姿态和航行进行调控。

图3（Gif）：太阳帆效果演示 (图源：The Planetary Society)
鉴于此，来自美国加州大学洛杉矶分校的Artur R. Davoyan、美国国家航空航天局的Les Johnson（科幻小说作家、NASA太阳帆首席研究员）等人以“Photonic materials for interstellar solar sailing”为题在Optica上发表综述文章。
该文章描述了面向下一代太阳帆光学材料和光子设计相关的要求和挑战。概述了技术发展路线图，以指导研究人员开创太空未来。
三、星际推进技术
目前太空推进主要手段为化学推进和电力推进技术。化学反应推进火箭是载人和星际任务的支柱，而电动发动机，如等离子体和电喷雾推进器，则用于空间站保持和有效的轨道机动。他们的本质都是通过排出飞船上的燃料从而产生推动力。
而燃料排出的量和速度会直接影响飞船的速度和能够到达的位置。其本身较为粗笨，而且无法满足一些航行任务的需要。因此，寻找更高效和更先进的推进方法成为目前的一个研究热点。
太阳帆无需携带推进剂，利用太阳辐射压力与重力相平衡，能够到达传统推进方式无法到达的位置，包含晕轮轨道和高倾角轨道。图4所示为太阳帆的受力示意图。太阳帆的速度依赖于其光学特性（例如材料对太阳的吸收率和反射率），帆面积与航天器总质量比（A/m）以及近日点（d0)。A/m和d₀越小，飞船的速度越快。以下讨论关于太阳帆的讨论适用于接近太阳时的情况。