太陽(yáng)帆飛行技術(shù)是未來(lái)深空探測(cè)非常有前景的推進(jìn)技術(shù)之一，其原理就是利用太陽(yáng)的大面積薄膜上的反射光壓提供航天器飛行的動(dòng)力。由于這種推力很小，所以不能為航天器從地面起飛；但在沒(méi)有空氣阻力存在的太空，這種小小的推力仍然能為有足夠帆面面積的太陽(yáng)帆提供 10-5～10-3g左右的加速度。如果先用火箭把太陽(yáng)帆送入低軌道，則憑借太陽(yáng)光壓的加速，它可以從低軌道升到高軌道，甚至加速到第二、第三宇宙速度，飛離地球，飛離太陽(yáng)系。太陽(yáng)帆理論上最高速度是光速的2%，也就是6 000 km/s。如果帆面直徑為300 m，則可把0.5 t質(zhì)量的航天器在200多天內(nèi)送到火星；如果直徑大到2 000 m，可使5 t質(zhì)量的航天器飛出太陽(yáng)系。同火箭和航天飛機(jī)迅速消耗完的燃料相比，太陽(yáng)光最大的好處是不會(huì)枯竭：只要有陽(yáng)光存在的地方，它會(huì)始終推動(dòng)飛船前進(jìn)。

著名天文學(xué)家開普勒早在 400年前就曾設(shè)想過(guò)不攜帶任何能源，僅依靠太陽(yáng)光的能量使飛船馳騁太空的可能性。他曾指出，彗星煙霧狀的尾部就是在太陽(yáng)光影響下“不斷飄動(dòng)的”。開普勒還計(jì)算出太陽(yáng)光可為宇宙飛船提供的具體推力。但直到1924年，俄國(guó)航天事業(yè)的先驅(qū)齊奧爾科夫斯基和其同事?tīng)N德?tīng)柌琶鞔_提出“用照射到很薄的巨大反射鏡上的太陽(yáng)光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德?tīng)柺紫忍岢隽颂?yáng)帆——這種包在硬質(zhì)塑料上的超薄金屬帆的設(shè)想，成為今天建造太陽(yáng)帆的基礎(chǔ)。

2001年7月20日，人類的第一個(gè)太陽(yáng)帆“宇宙一號(hào)”從一艘俄羅斯的核潛艇上發(fā)射升空，但飛船由于沒(méi)能與第三級(jí)運(yùn)載火箭分離而墜毀。2005年6月，俄羅斯又用“波浪”火箭發(fā)射了以太陽(yáng)光為動(dòng)力的“宇宙一號(hào)”（Cosmos-1）飛船，進(jìn)行太陽(yáng)帆的首次受控飛行嘗試。該飛船由8片三角形聚酯薄膜帆板組成，耗資400萬(wàn)美元，可惜在起飛83 s后遭到失敗。2004年8月，日本人研制的太陽(yáng)帆升空并進(jìn)行了170 km高的短暫亞軌道實(shí)驗(yàn)，打開了兩個(gè)長(zhǎng)約10 m的樹脂薄膜帆板，檢驗(yàn)了光帆展開的可行性，之后火箭和光帆墜入大海。

2010年5月21日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）利用H2A運(yùn)載火箭在種子空間中心搭載金星氣候軌道器“拂曉號(hào)”（AKATSUKI或行星-C號(hào)）成功發(fā)射太陽(yáng)帆演示航天器IKAROS（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun，太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)星際風(fēng)箏航天器），在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)帆的在軌展開和運(yùn)行，其在設(shè)計(jì)、制備、姿態(tài)控制等各個(gè)方面均實(shí)現(xiàn)了較大的突破。

IKAROS太陽(yáng)帆為四方形，厚度為7.5μm，質(zhì)量為16 kg，展開面積200 m2，利用航天器的旋轉(zhuǎn)離心力展開。其設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括以下4個(gè)方面：

1）太陽(yáng)帆的空間展開。利用航天器自旋離心力實(shí)現(xiàn)200 m2的四方形太陽(yáng)帆展開，并利用姿態(tài)敏感器和相機(jī)對(duì)太陽(yáng)帆展開過(guò)程及展開后的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2）利用太陽(yáng)帆上的薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)電。太陽(yáng)帆上 5%的面積覆蓋無(wú)定形柔性硅太陽(yáng)電池，可利用帆上電纜實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的傳輸，并利用這些傳輸線實(shí)現(xiàn)電池伏安特性曲線和其他特性的測(cè)試。

3）驗(yàn)證太陽(yáng)帆上的太陽(yáng)輻射壓。太陽(yáng)帆上的太陽(yáng)輻射壓約為1～2 mN，并利用定軌技術(shù)測(cè)試太陽(yáng)輻射壓加速。

4）建立太陽(yáng)帆導(dǎo)航和巡航技術(shù)。通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)帆方向?qū)崿F(xiàn)經(jīng)由太陽(yáng)輻射壓的連續(xù)軌道機(jī)動(dòng)，利用反射控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆姿態(tài)控制。

以上1）和2）為本次任務(wù)的最低目標(biāo)，3）和4）為本次任務(wù)完全成功的目標(biāo)。IKAROS太陽(yáng)帆在軌任務(wù)路線如圖1所示，其展開過(guò)程如圖2所示。

圖1 IKAROS太陽(yáng)帆在軌任務(wù)路線

任務(wù)實(shí)施過(guò)程如下：

2010年5月21日，發(fā)射升空；

2010年5月24日，開始減速，頂端物分離工作；

2010年5月27日—6月8日，開始第一階段展開工作；

2010年6月9日，成功實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆在軌展開（第二階段展開）；

2010年7月9日，JAXA確認(rèn)IKAROS利用太陽(yáng)帆加速成功；

2010年7月23日，JAXA宣布成功實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)帆的姿態(tài)控制。

2010年12月8日，IKAROS在距離金星80 800 km處飛過(guò)，成功完成全部在軌任務(wù)。

圖2 IKAROS太陽(yáng)帆展開過(guò)程示意

繼IKAROS太陽(yáng)帆之后，2011年1月20日，NASA實(shí)現(xiàn)了世界首次低地球軌道太陽(yáng)帆（Nanosail-D2）的成功展開和運(yùn)行，展開面積10 m2。經(jīng)過(guò)在軌約240 d的運(yùn)行，Nanosail-D2于2011年9月17日成功進(jìn)入大氣層，完成全部任務(wù)目標(biāo)。

太陽(yáng)帆試驗(yàn)的成功為開發(fā)新型宇宙發(fā)動(dòng)機(jī)邁出重要一步。人類未來(lái)完全可以利用太陽(yáng)帆從事深空探索，給太空旅行帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。