侯立順

當(dāng)“章魚”飛上了天空

想象一下，在地面上發(fā)射的探測器沖出地球的磁場瞬間，開始感受到來自太陽的粒子風(fēng)暴：一波，又一波，越來越強(qiáng)烈。看來已經(jīng)進(jìn)入了太陽風(fēng)肆虐的星際空間，這時探測器開始向四周釋放出50根比頭發(fā)絲還細(xì)的鋁絲，每根鋁絲長20千米，沒錯，單位就是千米，不過在浩渺宇宙中，這樣的尺寸級別真是微不足道。最關(guān)鍵這些鋁絲還會隨著探測器的運(yùn)行而不停旋轉(zhuǎn)，在探測器周圍形成一個電場，就如同一張看不見的帆，在太陽風(fēng)的勁吹下，加速向前。

這一幕未來場景真是不可思議，極細(xì)的鋁絲能讓太空探測器獲得如此高的速度，恐怕連儒勒·凡爾納這樣偉大的科幻作家都不敢想象！2013年5月，愛沙尼亞首枚衛(wèi)星EST-1即實(shí)驗(yàn)性地配備了10米長的鋁絲。人們還計(jì)劃在2015年的芬蘭Aaho-1衛(wèi)星上測試長度為100米的鋁絲?！疤栵L(fēng)力帆”的設(shè)想由芬蘭氣象究研究所的佩卡·揚(yáng)提出，他希能以此解決太空旅行的成本及燃料供給問題，這兩者都困擾了航天工業(yè)很多年。

能量取之不盡

無論是采用固態(tài)還是液態(tài)的推進(jìn)劑，傳統(tǒng)的噴射推進(jìn)方式都是通過向外高速噴射燃燒氣體來提供前進(jìn)的動量。依賴噴射推進(jìn)的探測器，往往需要攜帶大量的燃料。減去這部分重量，不但可大幅降低發(fā)射成本，也將使探測器的制造大為簡化。這樣一來，借助行星引力，利用彈弓效應(yīng)為探測器加速也變得可有可無。我們再也不必為選擇合適的發(fā)射日期而守株待兔。

要知道，太陽每秒鐘噴射出的質(zhì)子多達(dá)100萬噸，其速度更是高達(dá)450千米/秒。如此大量的高速粒子流使得太陽成為取之不盡、用之不竭的能量之源。于是科學(xué)家就有了給探測器裝上金屬絲的想法：探測器四周，帶著正電荷的金屬絲就仿佛是一個巨大的螺旋槳，高速飛來的質(zhì)子撞擊其上，動能得到傳遞，這樣探測器就獲得遠(yuǎn)離太陽的加速度。這一革命性的設(shè)計(jì)還解決了傳統(tǒng)太陽帆推進(jìn)技術(shù)所面臨的三大難題。僅幾微米厚傳統(tǒng)的太陽帆就像一張高科技風(fēng)箏，無法提供足夠的動力，安裝十分復(fù)雜，且其脆弱的結(jié)構(gòu)也極易受空間漂浮物的破壞。

“章魚”的三大優(yōu)勢

科學(xué)家佩卡·揚(yáng)的發(fā)明解決了傳統(tǒng)太陽帆的上述三大難題。首先，與依靠陽光（光子）推動的傳統(tǒng)太陽帆相反，驅(qū)動電力帆的是質(zhì)子，由于質(zhì)子質(zhì)量比光子大得多，同等條件下電力帆的推力至少是太陽帆的50倍。

其次，電力帆由許多極細(xì)的鋁絲構(gòu)成，在太空中釋放時比一整張?zhí)柗蜷_簡易得多。

再者，電力帆張開后形成的電場面積就相當(dāng)于太陽帆的表面，但太空漂浮顆?？梢詮慕饘偌?xì)絲的縫隙中自由穿越，不會對其結(jié)構(gòu)遭成損害。

一切皆有可能

2013年1月，赫爾辛基大學(xué)的工程師完成了一項(xiàng)技術(shù)壯舉，他們制造出了一根1千米長的絲纜：它由4條金屬絲絞成，共有9萬多個超聲波焊點(diǎn)。研究人員估算，100根左右的絲纜才可為探測器提供1牛頓的推力，這只有傳統(tǒng)噴射推進(jìn)器推力的百萬分之一。然而，電力帆的任務(wù)并不是要讓探測器從地面起飛。只有當(dāng)探測器離開地球磁場后，這些絲纜才會被展開，接替噴射引擎的工作，為探測器進(jìn)入太陽系深處提供持續(xù)的動力。

雖然太陽風(fēng)電力帆能使探測器向目標(biāo)快速前進(jìn)，但也無法剎車。因此，使用這種推動技術(shù)的探測器將沖入遙遠(yuǎn)行星大氣內(nèi)部，而不是環(huán)繞它們運(yùn)行?？茖W(xué)家從2006年起，就開始在這方面展開合作。2014年1月，他們確定了電力帆探測的目標(biāo)：只需6年，便可抵達(dá)遙遠(yuǎn)的天王星。采用傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)技術(shù)需要15年才能抵達(dá)那里。

太空旅行的路線圖

那么，這次太空旅行的路線圖是怎樣的呢？按照計(jì)劃，探測器將在地球磁場的邊緣展開50條20千米長的線纜構(gòu)成電力帆。后者將為探測器帶來0.5牛頓的推力，探測器也將逐漸升至100千米/秒的巡航速度。

3年后，探測器將在經(jīng)過土星時拋棄電力帆，依靠之前的慣性前進(jìn)。在抵達(dá)天王星之前一周，探測器會分解成兩部分，其中一部分進(jìn)入天王星的大氣層執(zhí)行探測任務(wù)，并將測量數(shù)據(jù)回傳到10 000千米外的另一部分上面，經(jīng)過一次中轉(zhuǎn)傳回地球。這可算的上是非常完美的探險計(jì)劃， 但在將其付諸實(shí)施之前，計(jì)劃還要得到批準(zhǔn)。佩卡·揚(yáng)必須向世人證明，他們的設(shè)計(jì)能夠經(jīng)受住空間測試的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

雖然這個計(jì)劃在理論上無懈可擊，但還是要看探測器在真實(shí)條件的表現(xiàn)。太陽風(fēng)中的電子帶負(fù)電，會不可避免地聚集到帶正電的絲纜上，這會大幅降低電力帆系統(tǒng)的能效。另外，如何在太空中打開電力帆，避免其受到損傷，這的確是個技術(shù)上的挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家現(xiàn)在將一種由太陽能電池板供能的電子槍嵌入到探測器上，用來捕捉并清除附著在絲纜上的電子。當(dāng)探測器漸漸遠(yuǎn)離太陽，太陽能電池板提供的能量將日益衰減，但與此同時，附著在絲纜上的電子數(shù)量也會因與太陽距離的增大而減少。

未來的科學(xué)應(yīng)用前景

至于在太空中張開電力帆的技術(shù)，我們很快就能知道其優(yōu)劣：一年前升空的第一臺原型探測器EST-1將在近日展開其10米長的絲纜。科學(xué)家計(jì)劃在這些絲纜上施加數(shù)百伏特的電壓，以測試其機(jī)械強(qiáng)度以及對大氣層頂部帶電粒子的反應(yīng)。2015年，芬蘭還將借助 Aalto-1衛(wèi)星對100米長的絲纜進(jìn)行測試。只有驗(yàn)證電力帆裝置的可行性，不遠(yuǎn)的將來才可能會有一隊(duì)隊(duì)帶著長長觸手的探測器向著太陽系邊緣那些大大小小的天體進(jìn)發(fā)。

除了對探測器進(jìn)行加速，電力帆是否也能用于使廢舊衛(wèi)星減速，墜入大氣層燒毀呢？這在理論上是可行的，因?yàn)殡娏Ψ珜щ娏Ｗ雍苊舾小３颂栵L(fēng)中的帶電粒子，當(dāng)然還有地球電離層中的帶電粒子。而600千米以下的人造衛(wèi)星軌道，正處于電離層中；只要利用電力帆減慢衛(wèi)星速度，它的高度就會漸漸降低，并最終墜入大氣層燒毀。目前，科學(xué)家正在構(gòu)想一種名為“電動力學(xué)絲纜”的裝置：當(dāng)金屬絲纜劃過地球磁場線的時候，會受到向下的洛倫茲力。2014年2月28日，日本發(fā)射了長300米的模型裝置進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)。