## “光帆”航行不是科幻！“太阳俯冲”可飞往日球层顶，人类或将在10年内扬帆深空

太阳帆的星际征途：从“光帆2号”到深空探测，我们离现实还有多远？

太阳帆真的能将人类送入星际空间吗？

“我认为这些并不是遥不可及的设想；

我们讨论的并非真正属于未来的概念。

”

乘着太阳帆在太空遨游，这个想法到底有多少真实性？

（图片来源：罗伯特·利，用Canva制作）

如果人类有朝一日前往遥远的恒星，我们或许会扬帆而去——而且这可能会比你想象的更快到来。

人类一些最古老的船只曾利用风帆来驾驭风力，因此，我们在太空中也做类似的事情，似乎不可避免。

但科学家们不是在利用风力推进，而是在开发利用光的方法。

其结果就是太阳帆：巨大而纤薄的专用材料薄片，旨在驾驭光子的压力，推动宇宙飞船穿越宇宙。

迄今为止，太阳帆只进行了少数几次概念验证飞行（包括一次飞往金星的飞行）、在世界各地实验室进行的实验与模拟，以及一些雄心勃勃的任务构想。

但伦敦帝国理工学院的工程师德布杜特·森古普塔及其同事最近的一项研究发现，太阳帆可能在未来10到20年内将宇宙飞船带到太阳系的边缘。

太阳帆航行的确切未来取决于你问的是谁，但它看起来越来越不像……

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从科幻到航天现实

对于迄今为止已经飞行的少数太阳帆来说，世界各地实验室的工程师们开发了可保持帆膜稳定的轻质支架，更耐热的帆材料，并致力于改进更好的整体帆面设计。

像行星学会的“光帆2号”（2019年发射）和日本的“伊卡洛斯”号太阳帆（2010年飞往金星）等任务，证明了光帆推进的基本原理是可行的。

但“光帆2号”发射已过去七年，NASA对先进太阳帆设计的最新试飞也遭遇了展开故障，最终在太空中翻滚。

目前最先进的光帆技术，能否满足将太阳帆船送出太阳系边缘的雄心勃勃的任务构想呢？

为了回答这个问题，森古普塔及其同事从三个已提出的光帆任务（“突破摄星”、“斯瓦罗格计划”和“太阳巡洋舰”）入手，然后对每个任务所需的所有技术部件的成熟度进行了评级，从“突破摄星”的巨型激光器到“太阳巡洋舰”的姿态控制系统。

“突破摄星”是一个雄心勃勃的项目，于2016年首次宣布，可能是迄今为止宣传最广、最具雄心的光帆项目（它叫光帆，而非太阳帆，因为它依赖一个200吉瓦激光器发出的光子而非太阳光行进）。

该项目最初旨在将一批微小的纳米飞船送往比邻星，但自2025年底以来，该项目一直处于搁置状态，资金被冻结。

不过，“斯瓦罗格计划”和“太阳巡洋舰”尤其是两种最有可能的太阳帆任务类型的范例。

“斯瓦罗格计划”是伦敦帝国理工学院一个由学生主导的项目，希望将一颗太阳帆探测器送至日球层顶，那是距离太阳90亿英里（145亿公里）的一个区域，太阳风与星际介质在此碰撞。

“斯瓦罗格”不打算用巨型激光向帆面填充光子，而是计划进行所谓的“太阳俯冲”：俯冲到太阳附近（那里辐射最强）以获得巨大的速度爆发，然后利用弹弓效应向外飞向日球层顶。

该团队在2024年底从高空气球上部署了一个测试帆；

森古普塔将其描述为“部分成功”。

而“太阳巡洋舰”是位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心的一个项目，它本可在拉格朗日L1点附近的一个优势位置研究太阳，利用其40米宽的帆面抵抗太阳引力的拖拽来保持位置（可以想象一下地球上的帆船，利用帆的速度来对抗水流和波浪的推力）。

NASA在2023年终止了该项目，但仍在探索一些类似的概念。

“太阳巡洋舰”概念图。

（图片来源：NASA）

森古普塔及其同事发现，就某些拟议的太阳帆任务而言，目前的尖端技术仍有缺陷，特别是在保护帆面不因太阳（或巨型激光器）的光子轰击而过热、为几十米宽的帆提供轻而强的支撑结构（一个不会扭曲或弯折的结构），以及将整机在太空中展开等方面。

但在研究了缩小这一差距需要付出多少努力后，森古普塔及其同事表示，其中一些任务比你预想的更接近现实。

而Space.com采访的其他专家也倾向于同意这一点。

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太阳帆的完美试验场

根据森古普塔的研究，在未来五到十年内的某个时候，轻型航天器可能航行在我们太阳系内阳光灿烂的区域，用以研究太阳本身。

无论目标是像NASA的帕克太阳探测器那样绕太阳运行，还是在地球与太阳之间保持一个稳定的位置，这类任务总体上都会利用太阳帆的一个主要卖点：仅靠光子对帆面的压力，太阳帆航天器就能进行机动——比如将自己保持在一个原本不稳定的轨道上，或改变其轨道——而无需推进器或燃料。

“一个能真正利用太阳帆优势的任务，是太阳风暴预警任务，”行星学会首席科学家兼光帆项目经理布鲁斯·贝茨告诉Space.com。

“它将利用来自太阳持续不断的光压，在地球和太阳之间维持一条原本不稳定的轨道，并且比通常能做到的更靠内。

这将为飞向地球的太阳风暴提供更早的预警和细节。

”

这与“太阳巡洋舰”以及其他任务构想背后的理念相似。

加州大学洛杉矶分校的航天工程师阿尔图尔·达沃扬补充说，掠日太阳帆可以使我们能够将航天器送入绕太阳两极的轨道，从一个原本不可能实现的角度研究我们最近的恒星。

他补充说，将航天器助推到绕太阳的极地轨道所需的推进剂，超出了当今火箭的运载能力。

“唯一能实现的方法就是利用太阳帆，”他对Space.com说。

而根据森古普塔及其同事的说法，像“太阳巡洋舰”或贝茨假设的太空气象站这类任务，在当今技术上是可行的。

“我绝对认为‘太阳巡洋舰’如果[某些]小问题得到解决，本来是可以发射的，”森古普塔说。

这里提到的问题与反作用轮有关：附在飞轮上的电动机，有助于保持航天器正确定向。

反作用轮，包括为“太阳巡洋舰”挑选的具体型号，被用于各种航天器，但太阳帆复杂的动力学特性是一个不同的挑战。

即便如此，让一套经过飞行验证的反作用轮适应新环境，是一个近乎平常的问题，相比之下，那些以更远目的地为目标的太阳帆驱动任务面临的挑战则艰巨得多——这类任务需要十年或更长时间的研究来开发合适的材料。

根据森古普塔及其同事的说法，一个在L1点（距地球约100万英里的引力稳定点）附近进行的、依靠太阳帆的太阳物理学任务，在今天技术上已是可行。

“对于像‘太阳巡洋舰’这样的任务，帆本身已经就绪，只需解决太空任务工程中更日常的方面，”森古普塔说。

这些日常方面包括姿态控制、电力和通信，森古普塔将其描述为“只有在进入详细设计阶段时才会遇到的问题”。

根据森古普塔及其同事的说法，这些因素结合在一起，使得像“太阳巡洋舰”这样的太阳物理学任务，成为继我们已经见证的那些太阳帆任务（包括日本宇宙航空研究开发机构于2010年底展开其14平方米见方的帆面飞掠金星的“伊卡洛斯”号任务）之后，合乎逻辑的下一步。

“那将是一个非常出色的垫脚石，”森古普塔说。

“我们可以用像‘太阳巡洋舰’[这样的任务]基本测试太阳帆面临的许多重大问题，比如展开系统和姿态控制这两个例子。

”

但是，将太阳帆航天器送往太阳，也可能成为迈向更远目标的垫脚石——并通过冒险更加靠近太阳来抵达那里。

极限太阳航行

像“斯瓦罗格计划”和一个新颖的名为“太阳风向标”的多帆概念，目的地和科学目标各不相同，但共享一条大致的飞行路径：它们都打算通过“太阳俯冲”来获得速度，然后航行到外太阳系（或更远）。

在他的实验室里，达沃扬及其同事研究了一个他们称之为“极限太阳航行”的概念，即掠过太阳表面上方仅200万至430万英里（350万至700万公里）处（介于太阳半径的5到10倍之间）。

这绝对是胆大包天的太空飞行，技术上会进入太阳的最外层；

作为对比，NASA的帕克太阳探测器最近距离的飞越也才在370万英里（600万公里）多一点的位置。

如此近距离俯冲，就像在光子的咆哮狂风中航行，给航天器带来强大的速度爆发，它将利用这个速度向外弹射——部分受重力推动，但主要靠阳光照在帆上。

一艘实施这种大胆太阳俯冲并幸存的帆驱动航天器，将以前所未有的速度抵达外行星、日球层顶，甚至是太阳引力透镜的焦点，在那里它可以（理论上）利用太阳引力作为巨型放大镜来研究系外行星。

达沃扬及其同事计算，这样的任务可以加速到每年约50天文单位（AU，即地球到太阳的距离）的速度——相比之下，“旅行者1号”的速度则较慢，为每年3.6天文单位。

1天文单位约等于9300万英里，或1.49亿公里。

“所以基本上你将用不到一年的时间飞过海王星，”达沃扬说。

“三年内，你就能超越‘旅行者1号’。

基本上，这就是我们希望达到的速度。

”

这就是太阳俯冲弹弓任务的权衡取舍：你想飞得越快，就需要潜到离太阳越近的地方。

而正是在这里，伊卡洛斯的古老寓言与现代航天变得惊人地贴切，因为当你掠过太阳外缘时，还必须防止帆面过热。

太阳帆需要将照射到它一面的大部分光线反射出去，并把剩余的部分作为热量发射到另一侧深邃寒冷的太空中。

找到能做到这一点的材料其实是容易的部分；

将它们制成太阳帆所需的微米级薄膜，才是真正的挑战。

例如，帕克太阳探测器有一个隔热罩，在距太阳约600万公里处能出色完成任务，但它也有4英寸（10厘米）厚——对于厚度应以微米（百万分之一米）计量的太阳帆来说，这实在太重了。

“我们没有那种奢侈的条件，所以我们想做的是2.5或3微米厚的东西，”达沃扬说。

他的实验室正在研究氮化硅和氮化钛等耐热材料，目标是制造出能在约1000摄氏度（即1832华氏度）的温度下坚持足够长时间来完成太阳俯冲的帆。

目前，他们最好的材料能承受距太阳约0.5个天文单位处的热量，差不多介于水星和金星的轨道之间。

这对他设想的那些任务，或对森古普塔及其同事的“斯瓦罗格计划”这类项目来说，还不够近。

但这种权衡是双向的。

如果你愿意接受较低的速度，就可以设计一个太阳俯冲不那么极限的任务。

根据达沃扬的模拟，以更谨慎的20到25个太阳半径（距太阳表面约860万至1180万英里，或1400万至1900万公里）的距离掠过，你将获得每年大约5到8个天文单位的最高速度：仍比“旅行者1号”略快。

而且热量管理要容易得多。

一幅展示“太阳俯冲”的插图。

（图片来源：达沃扬等人）

“我认为这类任务从今天起可以在5年内建成，前提是有适当的开发资金投入。

然后也许大约10年后，你就能开展更极端的任务，你知道，更靠近太阳，飞得更快，”达沃扬说。

“如果你想离得稍远一点，比如距太阳表面大约30个太阳半径，那么我认为技术或多或少已经准备好了。

”

与此同时，森古普塔表示，像“斯瓦罗格计划”这样的任务应该能在未来10到20年内发射，这与达沃扬的估计非常吻合。

展开船帆

热管理并非远程太阳帆任务面临的唯一挑战。

除了要足够坚固以在近距离遭遇太阳后幸存外，用于这些任务的太阳帆还需要足够大，以便在尽可能远的地方持续捕捉光子。

这意味着你必须能将这么大的帆装入一个相对较小的运载火箭，而且你必须有一个支杆或其他支撑框架来保持帆面展开并绷紧——这样它才能被光子压力推动，而不是仅仅是飘动。

帆面越大（支杆越长），这就越具挑战性。

“虽然不完全一样，但可以想象一下，要把卷尺伸长到很远而不弯曲或塌陷，那有多困难，”贝茨说。

想象一下，贝茨假设的卷尺大约有100米长：这是支撑一些拟议中最大太阳帆（面积为1万平方米的高科技薄膜）所需的支杆长度。

在地球上，支杆会因重力或风力而弯曲或屈曲，但在太空中，原因则是温度或辐射压力的微小差异，甚至是帆本身的微小瑕疵，在支杆整个长度上施加不同的力。

因此，工程师需要设计出尽可能轻、但也足够坚固、在飞行中不会扭曲的支杆。

此外，整个装置必须从一个相对紧凑的航天器中展开出来，而且必须尽可能轻。

这些挑战正是太阳帆尚未能在广阔太空中乘风破浪的原因。

（至少在这里是这样。

我们无法保证遥远的外星恒星系统中正在发生什么，因为它们不跟我们交流。

）

贝茨说：“为发展使用更大帆面的远距离任务，最大的技术障碍之一是在太空中成功部署大型结构。

在太空中任何部署都很困难，部署那些还必须质量非常低的大型结构更是极具挑战性。

”

“结构越大，挑战就越大，”他补充道。

每一项太空任务都努力将其质量保持在尽可能低的水平，因为质量要用燃料——也就涉及资金——来送入太空。

但太阳帆有比平时更严格的“质量预算”，因为它们只能推动相对较轻的物体达到达沃扬等人希望获得的速度。

“重要的是加速度，而加速度，从学校学过的知识就知道，就是力除以质量，对吧？”达沃扬说。

“因此我想在保持帆面积尽可能大的同时，尽量减小质量。

”

这种必要性不仅限制了帆及其支撑结构的设计，还限制了航天器上的一切：电源、仪器和通信设备。

软件工程师兼物理学家维克托·托特，是最近NASA太阳引力透镜团队的成员，他对于是否有可能将足够多的设备装入航天器来进行深空远程任务持怀疑态度；

托特和他的团队考虑过一种利用太阳帆抵达650天文单位以外点的太阳引力透镜任务版本。

“深空任务是毫不留情的，因为你需要在船上用核能供电，而且需要很大的通信设备实物，”托特告诉Space.com。

“即使抛开科学探测不谈，单单是与航天器通信并为其供电……较小的有效载荷几乎就排除了在船上使用核能的可能性，也排除了为真正的深空通信使用大型天线或大型光学设备的可能性。

”

达沃扬不同意，他提供了超轻型可展开天线等选项。

“这不是瓶颈式的问题，”达沃扬说。

“这些都是可以解决的挑战。

”

另一方面，托特对相对近距离（相对而言）的太阳航行更为乐观，特别是如果太阳能电池可以集成到帆面本身的话。

如果这能实现，托特认为太阳帆是一种可行的方式，可以飞往木星等地，通过相当温和的太阳俯冲获得足够加速度，以缩短像欧洲的JUICE（木星冰卫星探测器）这类前往外行星的深空任务后继者的航行时间。

JUICE于2023年发射，要到2031年才能到达目的地。

驶向未来

那么，对太阳帆航行的总体展望如何呢？

“我认为这些并不是遥不可及的设想；

我们讨论的并非真正属于未来的概念，”达沃扬说。

“这不是从一个事物到另一个事物的重大飞跃，而是一个可以从一个阶段到另一个阶段持续渐进的过程，而且这个进程可以在合理的时间框架内完成。

”

与此同时，森古普塔设想了一个不太遥远的未来：届时太阳帆已在太阳物理学任务中证明了其价值，技术进步使得太阳俯冲和漫长（但快速！）的行星际航行更加可行。

当然，这一未来的很大程度取决于资金和航天机构的优先级等因素——这些因素虽然难以代入公式计算，但往往决定着任务甚至整个项目的命运。

这也是森古普塔认为太阳物理学任务可能率先实现的部分原因。

“我们可能需要专注于那些能给地球带来实际影响的短期任务，而不仅仅是探索，”他说。

“一旦太阳帆被证明在这些类型的轨道上功能正常且有效，尤其是在拥有大型帆面的规模上，我认为这真的可以帮助太阳帆成为太空设计师推进工具箱中的标准配置。

”

基奥娜·史密斯是一名常驻中西部的科学作家，撰写太空和考古学方面的文章。

她曾为Inverse、Ars Technica、福布斯撰稿，并著有《太空中的便便与尿尿：100%真实的图解历史》一书。

她曾就读于德克萨斯A&M大学，拥有人类学学位。

BY:Kiona N. Smith

FY: 栖岩

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