下一代航天器推进系统

撰文｜许杰仁（Jeremy Hsu）

翻译｜林清

太阳帆已经不再是科学幻想，科学家正在试图用太阳光作为动力，驱动航天器执行远程星际任务。

太空中没有加油站。为了把成本低、质量小的航天器送上太空执行远程任务，美国国家航空航天局和几家私人航天公司正尝试一些方法，将太阳能作为动力。这些方法包括使用太阳光光压驱动的“光帆”，以及下一代太阳能电力推进系统。一个名为“光帆2号”的私人资助的航天项目，希望将一个午餐盒大小的航天器发射到预定轨道，并展开一张约两个停车位大小的聚酯帆。一旦成功，这些技术很可能会用在美国国家航空航天局未来对火星及更远星球的探测项目上。

太阳帆并非科幻小说中的虚构之物。早在2010年，日本的“伊卡洛斯号”探测器就在执行飞往金星的星际任务时，验证了太阳帆这一概念。“光帆2号”试验由美国行星协会（世界上最大的非营利业余太空科学组织）资助，计划耗资545万美元。支持者认为，使用“光帆2号”的技术，不用推进剂，即可操控在地球轨道运行的低成本立方体卫星。“光帆2号”的表现还决定着美国国家航空航天局是否会在近地小行星侦察卫星上使用光帆技术。

莱斯·约翰逊（Les Johnson）是美国国家航空航天局马歇尔航天中心负责近地小行星侦察卫星发射任务的首席科学家。他认为：“太阳帆的真正价值在于，它可为极小的航天器提供持续微小推力。”稳定的太阳光压，大小相当于1英亩（约为4,047平方米）帆上不到1盎司（约为28克）的推力，足以让一个小型探测器逐渐加速前行。约翰逊解释说，通过调节反光角角度，可以实现对太阳帆姿态和航天器的控制。由于适用于长时间飞行，这项技术对于低成本、轻荷载的任务而言非常理想。近地小行星侦察卫星拟对一颗小行星开展的侦察任务就很适合使用这项技术。

“光帆2号”航天器（上图）会搭乘太空探索技术公司的猎鹰重型火箭升空。它会像“前辈”（下图）一样在抵达预定轨道后展开它的帆。

不过，当太阳光到达木星轨道附近时，光线会减弱，不足以驱动大多数以太阳帆为动力的飞行器。但约翰逊和美国国家航空航天局空间技术任务局的首席工程师杰弗里·希伊（Jeffrey Sheehy）都认为，这项技术有可能为星际任务铺平道路，研究人员可以用强大的激光代替太阳光，为宇宙飞船加速，从而达到光速的1/10甚至更快。一项名为“突破星击”的私人太空计划，希望能在未来30年内将这类航天器发射到距离地球最近的恒星系统——半人马座阿尔法星。

希伊认为，通过太阳能电力推进装置，阳光还能间接地驱动更大的无人或载人宇宙飞船。太阳能电池板可以为燃料推进器供电，帮助推进器将气体转化为等离子体羽流，驱动航天器。美国国家航空航天局招募了几家公司，如美国喷气发动机－火箭动力公司（全球领先的火箭推进系统制造商）和艾德·阿斯特拉火箭公司，以提升这些系统的输出功率。希伊说：“现在，我们的太阳能电力推进系统只有几千瓦的电力。我们正在努力，以达到几十千瓦电力，并在此基础上，争取达到几百千瓦的输出功率。”