詹森·戴維斯

啟航：從追尋世界上最著名的彗星開始

譯/ 梁炳鑫

1607年，歐洲上空出現(xiàn)了一顆彗星。

沒有人知道這顆彗星是1531年出現(xiàn)過的那一顆，也沒有人知道1682年它會再次造訪。許多年后，天文學(xué)家埃德蒙多·哈雷將發(fā)現(xiàn)這是一顆軌道周期為7 5年的彗星，并預(yù)測它將于1759年再次出現(xiàn)。但是在1607年，沒有人知道這一點(diǎn)，它只不過是一顆再尋常不過的彗星，給處在科技復(fù)興時(shí)代的人們帶來了一點(diǎn)天文軼事。

36歲的德國天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒也是一位彗星觀測者，他懷著極大的興趣觀測了這次彗星造訪。開普勒很想知道，是什么讓這顆彗星在劃過天空時(shí)寬闊的尾部擴(kuò)散開來，變成一個長長的彗尾。他認(rèn)為應(yīng)該是太陽光的加熱作用使彗星表面物質(zhì)脫離。雖然開普勒沒辦法證明自己的假設(shè)，但這一觀測仍然非常了不起，并且最終被證明是正確的。從彗星上脫落的冰和塵埃形成了被稱為彗發(fā)的臨時(shí)大氣層。太陽風(fēng)將彗發(fā)中的塵埃顆粒沿各個方向吹散，其中一些逃脫彗星的引力作用，形成了延伸的彗尾。

太陽光線能與天體相互作用的理念讓開普勒相信，或許有一天太空帆也能靠捕獲太陽光來驅(qū)動，就像船帆借助風(fēng)力一樣。在1608年寫給伽利略的一封信中，開普勒寫到，或許有一天人類能夠運(yùn)用這種技術(shù)踏上拜訪其他星球的旅程——

?“水手4”號擁有四個太陽能葉片，利用陽光產(chǎn)生的壓力來維持航天器的穩(wěn)定。

“假如船和帆能夠利用天堂的微風(fēng)，就一定會有勇者擁抱那片虛空?！?/p>

但是直到1865年詹姆斯·克拉克·麥克斯韋證明光是由叫作光子的能量粒子構(gòu)成的時(shí)，開普勒的想法才獲得學(xué)術(shù)證據(jù)的支持。麥克斯韋證實(shí)，光子具有能量和動量，可以傳遞給其他物體。當(dāng)光子撞上反射面，比如閃光的太陽帆，就會推動帆前進(jìn)。20世紀(jì)早期，一對俄羅斯科學(xué)家將麥克斯韋的研究與真正的工程學(xué)概念結(jié)合了起來。1924年，工程師弗雷德里克·桑德爾這樣寫道：“對于星際空間的飛行，我的想法是使用超薄的巨大片狀反射鏡做帆板，應(yīng)該能夠達(dá)到良好的效果。”

20世紀(jì)50年代，火箭技術(shù)的飛速發(fā)展將人類推向了太空時(shí)代的邊緣，太陽帆的設(shè)想再一次興起。這一次，它出現(xiàn)在科幻雜志里。在《驚駭科幻故事》1951年5月刊中，電子工程師卡爾·懷利提出了一種降落傘式的太陽帆，朝向太陽打開，降落傘通過繩索拖拽后方的航天器。懷利設(shè)想的這種帆直徑4000米，面積61平方千米。他寫道：“宇宙飛船應(yīng)當(dāng)?？吭诃h(huán)繞地球飛行的人造衛(wèi)星上，旅客和貨物可以通過火箭在地球和飛船之間往返。船體本身需要在人造衛(wèi)星上建造?！庇?/p>

于這一想法過于天馬行空，懷利只好用羅素·桑德斯的假名對它進(jìn)行發(fā)表，以此致敬名為“羅素- 桑德斯耦合”的量子物理學(xué)概念。

1957年，第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射讓太空衛(wèi)星從科幻變成了現(xiàn)實(shí)。僅僅1年之后，太陽帆開始出現(xiàn)在科學(xué)著作中。到了20世紀(jì)60年代，剛剛成立的美國航空航天局（NASA）獲得了充足的資金，按照肯尼迪總統(tǒng)定下的“10年內(nèi)送人類登月”的目標(biāo)，奮起直追。在這一時(shí)期，NASA資助了一系列有關(guān)太陽帆的研究。但是在20世紀(jì)70年代的后阿波羅時(shí)期，由于NASA資金緊縮，太陽帆的研究被擱置了起來。

在俄亥俄州巴特爾紀(jì)念研究所，一位叫作杰羅姆·懷特的工程師獨(dú)自繼續(xù)鉆研，決心證實(shí)太陽帆的可行性。起初，NASA是讓懷特研究哪種火箭系統(tǒng)能夠把太陽帆送上太空，但懷特更進(jìn)一步，開始研究使用太陽帆登陸其他星球的可能性了。

在這一過程中，懷特發(fā)現(xiàn)了千載難逢的機(jī)會：一條可以讓太陽帆和1986年回歸的哈雷彗星相遇的軌道。1607年，正是這顆彗星引發(fā)了對太陽帆的探索，而如今它有望成為該技術(shù)的首個目的地。

第一次聽說杰羅姆·懷特的想法時(shí)，路易斯·弗里德曼對太陽帆所知甚少。他在紐約布朗克斯區(qū)長大，獲得了康奈爾大學(xué)工程力學(xué)碩士學(xué)位以及麻省理工學(xué)院航空航天專業(yè)博士學(xué)位，是一位科學(xué)家兼工程師。1970年，他進(jìn)入NASA位于加利福尼亞州帕薩迪那的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參與了“水手”號和“旅行者”號深空探測任務(wù)的工作。他還領(lǐng)導(dǎo)了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的高級項(xiàng)目組，致力開發(fā)航天任務(wù)的新技術(shù)。

? ? 直升機(jī)式太陽帆靠近哈雷彗星的藝術(shù)想象圖。直升機(jī)式太陽帆具有12個旋轉(zhuǎn)的扇片，每個扇片長達(dá)6400米。

弗里德曼知道，太陽光產(chǎn)生的壓力可以在太空中推動物體。他在自己的博士論文中，針對非引力作用力對航天器的影響進(jìn)行建模，探究了這一現(xiàn)象。1960年至1964年，NASA發(fā)射了兩個噴鍍聚酯薄膜的大型氣球，以測試通信信號在全國范圍內(nèi)傳遞的方式。由于氣球又大又輕，它們可以很輕易地被太陽光推動。

“水手4”號是第一個飛經(jīng)火星并傳回照片的探測器，它擁有四個太陽能葉片，利用太陽光壓力的平衡來保持穩(wěn)定。在“水手10”號探測任務(wù)中，工程師在探測器姿態(tài)控制氣體用完后再次利用了太陽光，讓探測器的太陽光反射板定向排列，利用太陽光來推動它旋轉(zhuǎn)并保持穩(wěn)定。

弗里德曼在自己的著作《駛向外星：太陽帆與星際旅行》中回憶了自己在聽到懷特關(guān)于發(fā)射太陽帆與哈雷彗星接觸的想法時(shí)，與JPL 實(shí)驗(yàn)室的一位同事進(jìn)行的討論：

“你是指飛掠，而不是著陸吧？”

“不，我指的就是著陸?！?/p>

“即使這趟旅行要花10年時(shí)間？”

“如果只需要1年呢？”

對于拜訪另一個天體，航天器有兩種選擇：一種是飛掠目標(biāo)，盡可能多地獲取數(shù)據(jù);另一種是攜帶大量燃料，發(fā)動引擎減速并進(jìn)行著陸。在哈雷彗星上著陸似乎是不可能的。地球圍繞太陽以30千米/秒的速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而哈雷彗星順時(shí)針從地球軌道平面下方進(jìn)入太陽系。在靠近太陽時(shí)，哈雷彗星會被加速，以40千米/秒的速度掠過地球。

這些數(shù)據(jù)意味著想讓航天器在彗星上著陸必須做大量的工作，不但必須抵消地球30千米/秒的速度，還得讓航天器獲得逆向40千米/秒的速度，并且傾斜自己的軌道平面。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是使用極其強(qiáng)大的火箭。實(shí)際上，研究組考慮過這種方案，提議使用巨型的“土星5”號火箭把航天器送上木星。然后利用木星的強(qiáng)大引力作用，使航天器繞過這顆大型行星，進(jìn)入與哈雷彗星相吻合的逆向軌道。但杰羅姆·懷特認(rèn)為，更好的方法是使用太陽帆。

使用化學(xué)燃料的火箭可以提供短時(shí)間內(nèi)的巨大作用力。與此不同，太陽帆雖加速緩慢但持久，最終可以達(dá)到高很多的速度。根據(jù)帆的角度，太陽光產(chǎn)生的力可以對航天器的繞軌速度進(jìn)行加速或者減速?！肮住碧柗紫葧p速，以內(nèi)旋接近太陽。在那里，太陽的能量可以轉(zhuǎn)化為大量動能，將太陽帆送入一個不同的軌道。

NASA對這個想法很感興趣，資助了“哈雷”太陽帆的初期研究。1975年，懷特加入噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，與弗里德曼等工程師一起開展這項(xiàng)工作。他們的團(tuán)隊(duì)考慮了兩種設(shè)計(jì)方案。第一種是正方形類似風(fēng)箏的帆，每邊長500米，背面由四條帆杠支撐起整個帆的結(jié)構(gòu)。每條帆杠的末端都有一個小型太陽能葉片，可以通過角度調(diào)整來控制航天器的姿態(tài)。這個設(shè)計(jì)方案簡潔優(yōu)雅，但是團(tuán)隊(duì)擔(dān)心這樣的帆缺乏硬度，可能會因?yàn)閾u擺而無法建模或者控制。

第二種設(shè)計(jì)是直升機(jī)式的，像兩個疊在一起的吊式風(fēng)扇。每個“風(fēng)扇”有六個扇片，通過旋轉(zhuǎn)為太陽帆提供更好的穩(wěn)定性。但是直升機(jī)帆仍然需要具有和正方形帆相同的表面積，每個扇片的長度都必須超過6400米。盡管如此，研究組還是選擇了直升機(jī)式的設(shè)計(jì)。后來，弗里德曼有些后悔做出這個選擇，因?yàn)樗诿缹W(xué)和技術(shù)上都存在問題。

當(dāng)時(shí)，在太空組裝部署這么大的結(jié)構(gòu)面臨巨大的困難，直到1973年航天飛機(jī)被批準(zhǔn)建造，情況才得到改變?！昂教炱魉闶谴笮陀行лd荷，利用有效載荷艙，我們就可以把它部署到太空中去，”弗里德曼說，“這讓大家開始探索能夠部署大型太空結(jié)構(gòu)的實(shí)用設(shè)計(jì)?！?/p>

那么，尚未制造出的航天飛機(jī)能否讓宇航員將太陽帆送入地球軌道，并在有效載荷艙進(jìn)行部署？有可能。

雖然航天飛機(jī)為發(fā)射有效載荷提供了新途徑，但它耗資巨大，不斷吞噬NASA預(yù)算中越來越多的份額。20世紀(jì)70年代是行星探索的黃金時(shí)期，“先驅(qū)者”號、“維京”號、“旅行者”號任務(wù)傳回了海量圖像和數(shù)據(jù)。然而，1978年至1990年，國會和白宮沒有批準(zhǔn)任何一項(xiàng)行星探索任務(wù)。

歐空局的“喬托”航天器在距離僅60萬干米的地方拍攝的哈雷彗星

布魯斯·默里博士是時(shí)任NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的主任，他非常堅(jiān)定地認(rèn)為“哈雷”太陽帆具有重要的科學(xué)價(jià)值。他還解釋說，這樣的任務(wù)會激發(fā)公眾對行星探索的興趣。1978年，“哈雷”太陽帆完成了初期設(shè)計(jì)研究，但時(shí)間非常緊迫。為了讓航天器有足夠時(shí)間與哈雷彗星相遇，發(fā)射任務(wù)必須在1982年之前完成。而在此之前，還需要在航天飛機(jī)上對太陽帆組裝技術(shù)進(jìn)行實(shí)際演練。

與此同時(shí)，NASA正在進(jìn)行離子動力推進(jìn)器的實(shí)驗(yàn)，使用電子剝離氣體——例如氙氣——中的電子來產(chǎn)生離子。這些離子可產(chǎn)生低推力的持續(xù)動力。和太陽帆一樣，離子動力推進(jìn)器也計(jì)劃通過航天飛機(jī)的有效載荷艙進(jìn)行發(fā)射。

雖然離子推進(jìn)器最終會為若干項(xiàng)行星探索任務(wù)提供動力，但對當(dāng)時(shí)的“哈雷”太陽帆來說，這項(xiàng)技術(shù)還不夠成熟。直升機(jī)式太陽帆技術(shù)也并不成熟，弗里德曼回憶說，這個想法還是過于雄心勃勃了。

即使直升機(jī)式太陽帆或者離子動力推進(jìn)器已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)射，航天飛機(jī)也沒有到位，它的首次飛行被推后至1981年，機(jī)載操作任務(wù)1982年才啟動。對適當(dāng)測試和發(fā)射“哈雷”太陽帆這樣的長周期任務(wù)來說，都為時(shí)已晚。

在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，默里要求拿出一個更實(shí)際的直接飛掠哈雷彗星的任務(wù)方案。為了讓任務(wù)順利實(shí)施，他甚至直接跑到白宮去游說。但在1981年，里根政府為了應(yīng)對聯(lián)邦預(yù)算赤字大幅度削減經(jīng)費(fèi)，NASA沒有任何理由要求政府向“哈雷”太陽帆放款。最終，美國這個行星探索領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，將不會去拜訪世界上最著名的彗星。

然而，俄羅斯、日本和歐空局都發(fā)射了飛掠哈雷彗星的航天器，它們被統(tǒng)稱為“哈雷艦隊(duì)”。俄羅斯的航天器第一個經(jīng)過哈雷彗星，但最近距離接觸的榮譽(yù)屬于歐空局的“喬托”探測器。1986年3月，“喬托”號以挑戰(zhàn)死亡的近距離穿過哈雷彗星的彗尾，在僅60萬千米外拍下了它的彗核。NASA的國際彗星探測者，最終在遠(yuǎn)達(dá)2800萬千米的地方觀測了哈雷彗星。

1982年，默里卸任噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任一職。在努力將“哈雷”太陽帆送上太空的同時(shí)，他和路易斯·弗里德曼以及卡爾·薩根于1980年共同建立了行星協(xié)會。這個基于會員制、非營利性的太空組織致力向決策者展示民眾對行星探索的支持。1981年，該組織開始出版一份叫作《行星報(bào)告》的雜志。在創(chuàng)刊號中，卡爾·薩根這樣描述行星協(xié)會的目標(biāo)：

“如果我們?nèi)〉贸晒?，或者至少是某些專家認(rèn)為我們能夠達(dá)到的那種成功，我們或許不僅能展示民眾對行星探索的支持，還能夠?yàn)榇俪赡承╆P(guān)鍵任務(wù)提供專項(xiàng)資金?！?/p>

這些任務(wù)里一定包括太陽帆。探索如何馭光而行的旅程尚未終結(jié)。