如果一切順利，5月20日，首個依靠陽光航行的私人航天器將從佛羅里達州的卡納維拉爾角升空。該航天器名為“光帆”，是行星協會（一個旨在促進太空探索的非營利組織）的專案。
儘管光子沒有質量，但太陽光中的光子確實攜帶動量。在足夠數量的情況下，它們可以在太空真空中推動物體。讓足夠多的光子反射到大型反射航天器上，僅靠光就可以使其持續加速，而無需任何車載燃料，就像帆船借風航行一樣。這樣的航天器被稱為“太陽帆”。這個巧妙的想法可以追溯到400多年前的德國天文學家約翰內斯·開普勒，他注意到彗星的尾巴似乎被太陽風吹離了太陽，並且有朝一日可以利用它來推動天體飛行器穿越“天堂之氣”。
太陽的光子風可能很弱，但它們是持續的，隨著時間的推移，可以推動一艘輕型、無燃料的航天器達到遠高於傳統化學火箭的速度。由於燃料很重，而質量是太空旅行的關鍵成本驅動因素，因此太陽帆提供了一種非常廉價、非常有效的方式，可以在太陽系周圍運輸貨物。一些支持者甚至表示，由強雷射束推動的帆最終可能被證明是前往其他恆星的少數可行方法之一。
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“光帆”的大小與一條麵包相當。它的體積足夠小，可以搭載計劃於明天發射X-37B軍用太空飛機的阿特拉斯5號火箭進入近地軌道。經過一個月的檢查階段，行星協會的航天器將展開其銀色的聚酯薄膜太陽帆，測試帆在近地軌道上的展開情況。儘管其寬度為32米，大約相當於一個拳擊臺的大小，但帆的厚度僅為4.5微米，與單根蜘蛛絲相同。這種非常大但又非常輕的帆非常擅長吸收陽光的動量，足以將其和附帶的有效載荷帶到行星際旅程中。
然而，這一次，航天器的軌道高度不足以完全擺脫地球大氣阻力；一旦其帆展開，阻力將急劇增加，在短短幾天內將航天器拉回並燒燬。明年，行星協會計劃將第二艘“光帆”搭載在SpaceX獵鷹重型火箭上發射到更高軌道，以進行更廣泛的太陽帆推進測試。如果成功，那次飛行將是太陽帆在地球軌道上受控演示的首次嘗試。
“光帆在技術上非常出色，而且非常浪漫，”行星協會執行長比爾·奈在一份宣告中說。“我們將在陽光下航行。但等等，還有更多：這個獨特而非凡的航天器完全由私人公民資助，他們認為太空飛行很酷。”奈更願意稱“光帆”為“人民的衛星”。
據行星協會稱，整個“光帆”專案的成本約為550萬美元，其中該協會仍需要從捐助者那裡籌集約100萬美元。考慮到傳統的太空任務通常花費數億美元或數十億美元，這算得上是極低的成本，這為非政府組織甚至私人公民進一步開展小型但雄心勃勃的太空任務開創了良好前景。
命運多舛的歷史
“光帆”並非太陽帆的首次嘗試，也不是行星協會首次花費數百萬美元用於展示這項技術的航天器。
在20世紀70年代中期，該協會的兩名聯合創始人布魯斯·默裡和路易斯·弗裡德曼曾在美國宇航局噴氣推進實驗室工作，參與設計用於前往哈雷彗星的機器人任務的太陽帆。該任務需要從航天飛機發射和展開一個真正巨大的帆。由於一些設計要求帆的直徑接近一公里，美國宇航局官員取消了該專案，對估計的成本和未經證實的技術表示擔憂。該機構在未來幾年內不會大力重新審視太陽帆，而是讓其他人去追求陽光碟機動的太空旅行夢想。
弗裡德曼、默裡和他們的合作者卡爾·薩根繼續組建了行星協會，並籌集了400萬美元來支援另一項太陽帆任務，即一個名為“宇宙1號”的100公斤重的航天器。為了節省資金，該專案計劃使用更便宜的俄羅斯火箭進行兩次發射，特別是從潛艇發射的重新利用的彈道導彈。由於火箭故障，兩次發射——2001年的亞軌道測試飛行和2005年的軌道嘗試都失敗了。
該協會在2009年開始規劃後來的“光帆”專案，而不是建造另一個大型、昂貴的航天器，而是依賴立方體衛星——一種廉價、小型化的模組化航天器，邊長為10釐米。每個“光帆”的重量不到5公斤，而不是幾十到數百公斤（這需要更大的帆面積和更復雜的後勤保障）。該航天器由三個串聯的立方體衛星組成，這種設計大大簡化了其構造並降低了成本。“本質上，摩爾定律已經遇到了太陽帆技術，”Ecliptic Enterprises公司的執行長雷克斯·裡德諾爾說，該公司負責“光帆”的整合和測試。“這與某些任務剖面非常匹配。”
考慮長遠，從小處著手
隨著立方體衛星的興起，美國宇航局再次審視了太陽帆，並在2000年代開始了自己立方體衛星太陽帆專案。美國宇航局的3.5米寬的NanoSail-D旨在測試太陽帆如何用於退役失效的衛星。但是，NanoSail-D在2008年其獵鷹1號火箭未能進入軌道時被摧毀。美國宇航局在2010年發射了一個替代品，並在2011年成功地在太空測試了這項技術，儘管該航天器傾向於在軌道上不受控制地旋轉和翻滾。同時，日本航天局在2004年成功測試了一個太陽帆，並在2010年發射了IKAROS，這是一個全面的行星際任務，使用一個315公斤、20米對角線的太陽帆在當年晚些時候飛越金星。日本的IKAROS任務“不是噱頭”，裡德諾爾說，而是“一個非常明確的技術成熟任務。他們在這一領域明顯領先於其他人。”
美國宇航局仍在迎頭趕上。該機構太陽帆計劃的下一步是名為Sunjammer的任務，這是一個計劃在2015年展開近40米寬的帆從地球軌道飛出的航天器。但美國宇航局去年取消了Sunjammer，理由是建造該航天器的承包商存在不足。相反，該機構正在繼續計劃更適度的基於立方體衛星的太陽帆任務，計劃在2018年首次發射美國宇航局太空發射系統火箭時，將兩枚太陽帆送往月球。該機構的“月球手電筒”任務將不僅利用太陽帆進行機動，還將利用太陽光照射到月球兩極附近的黑暗隕石坑中，以尋找水冰。它的夥伴，“近地小行星偵察兵”將利用其帆從月球飛走，以訪問一顆路過的太空岩石。每個任務由六個立方體衛星組成，擁有一個九米寬的帆，估計成本為1500萬美元——僅為典型的美國宇航局行星際任務價格的極小一部分。配備太陽帆的立方體衛星群可以用於許多其他應用，例如監測太空天氣或從軌道上勘測其他行星。
據行星協會的“光帆”專案經理道格·斯泰森稱，“光帆”正在證明對美國宇航局重新燃起的對太陽帆的興趣至關重要，他的團隊正在與參與該機構新專案的工程師分享其經驗和見解。“透過將太陽帆與立方體衛星等小型航天器結合使用，可以在私人組織可接受的成本下進行演示任務——這也是行星協會可以幫助推進太空科學的一種方式，”斯泰森說。“目標是證明這種方法的可行性，並鼓勵其他團體和機構將其用於更高階的探索任務。”
即便如此，也不要期望太陽帆會在短期內取代火箭，裡德諾爾說。對於發射、快速軌道變化和行星著陸，火箭強大的即時推力是無與倫比的。美國宇航局的大部分太空飛行努力——向國際空間站發射、將小行星重定向到月球軌道、將機器人並最終將人類送往其他行星——都圍繞著這些事情展開。“太陽帆與這些任務型別不太匹配，”裡德諾爾說。“但對於更悠閒的任務，太陽帆可能具有優勢。”