Aero 版 (精华区)

发信人: champaign (原野), 信区: AerospaceScience
标  题: 乘光帆遨游宇宙（冰叔/译）
发信站: 紫 丁 香 (Mon Sep  6 21:28:22 1999), 转信

　　阿波罗计划首次登月的成就是极辉煌的，但从经济上讲，都是用一般造价奇昂有去
无回的太空船勘察一块不毛之地，实际上等于把那块疆土给封闭了。
　　继阿波罗之后，机器人带着相机被发射到其他行星上去，它们对金星的勘察，立即
打破了金星上森林密布的美梦，实则它是个弥漫着高压毒气的大火炉。对火星的探测，
却又擦去了天文学家们凭臆测在火星上所画的网线、运河和火星人，机器人所画出来的
是坑穴密布、峡谷纵横和干涸的焦土。金星朝太阳的一面，全是像水星上的烤焦岩石，
而火星背着太阳的一面，则全是乱石和坚冰。想找寻一个新的“地球”，只有寄望于遥
远的星星上去了。
　　从前我们一度把注意力集中在行星上，因为它们幅员广阔而光辉耀目，有点像我们
的地球，现在我们了解，一两颗小行星便足够把地球上所有的工厂都堆满原料，只要我
们有办法在轨道上制造光帆，不久即可从太阳系年源源不绝地把原料采运回来，完全不
需要燃料。苏格兰物理学家麦克斯韦在十九世纪曾对电磁场有所描述，他的方程式指出，
光从一面镜子上反射出来时会产生一种力量。1924年，两位俄国人萨德和齐奥尔科夫斯
基建议用日光驱动大的镜子在太空中航行。
　　因为进入太空的唯一方法是用火箭，帆的设计者就设法把帆塞进一个小而坚固的包
囊里，等发射到太空之后，再让它自动展开。因为日光照射到一回象足球场般大的镜子，
所产生的推力只等于一颗小石弹的重量，所以那张帆必须既大又轻，才能给予文教运物
以合理的加速度，为使它经过包装、发射及展开等过程而仍能保持完整，则帆必须柔软
而坚韧，设计者采用了涂铝的塑胶作为最佳的选择。不过它们对于登陆月球的迫切计划
级不济急，因此对帆的兴趣渐趋冷淡，始终没有把帆制造出来。
　　到了1974年，对帆的兴趣又再度抬头，有人把直接在太空中制造太阳帆的方式，名
之为光帆，假如你想象用碳纤维绳编成一个大网，直径达数公里，每一网孔象足球场一
般大，让它在太空中旋转展开，你对光帆的结构便有了初步的观念；如果你再想象，在
每一网孔中嵌上一片比肥皂泡还要薄的铝箔，把整个网面拼成一面有波纹的巨大镜
　　子，然后把载负物吊在这面大镜子的下面，让旋转的离心力把镜面绷紧拉平，你便
有了光帆的大致印象。
　　光帆的质量极小，因为它是无衬背的铝膜和用张力的构架所构成；同一强度，张力
的构架要比压力的构架轻而且细。质量轻可减低发射成本，并增加帆的最大加速度。一
班次航天飞机的载量，可携带足够的材料以制造一百平方公里的反射镜及其构架，足够
造成几十面光帆，而这许多帆，如紧压起来，可放进一个小房间里，并不占太大空间，
此种制造方式所需要的投资，是制造一套能在轨道上生产光帆的机器设备，而这些东西，
一两架航天飞机便可载运完毕。
　　把光帆与普通火箭作一比较：一个一吨重的火箭，可在几分钟内将一吨多重的货物
推送至每秒一公里的速度，一个一吨重的帆（宽度超过一哩）推送同重量的货物到达同
一速度，则需要一整天的时间。但是到了第二天，火箭的燃料耗尽，便只有滑翔前进，
而光帆的速度却以每秒一公里的加速度陆续递增，此一加速度虽只有一块下落砖石的千
分之一，但不到一个星期，便会超过二十倍音速（在空气中）。对火箭更为不利的是，
一个两吨重的火箭并不能获致一吨重火箭速度的两倍，因为额外的燃料也增加了它的负
荷，要使货物的最后速度增加每秒三公里，火箭的质量便须增加一倍，但如使用光帆，
则只要增加三天的加速时间，便可获致同样的效果，既然太阳系的旅行，无论用火箭或
光帆，都要儿个月至几年的时间，因此帆占有极大的便宜；光帆不仅可以一再使用几十
年之久，而且永久不需补充燃料，任何一次指定的太阳系间飞行，它都比火箭轻而炔。
火箭只有在开始时的猛冲占有优势，但在长途跋涉中却后继乏力，燃料烧完了便只有听
天由命慢慢滑行而已。
　　太空船强力的引擎所耗燃料之巨非海上船只可比，而帆在太空中比它在海上的亲戚
却另有其优点。在海上，时而风平浪静，时而狂风大作，在太空中，“风”乃是日光，
经常保持稳定状态。在海上，风给予船只以有限的速度，太空中，“风”是以光的速度
在吹送，而“船身”毫无阻力，因此。只要日光照在帆上，其速度便可有加无已。在浩
瀚的大空之海中，高速度极为重要——缘地球的轨道绕日一周，以目前喷射客机的速度
来飞行，至少要一百年！
　　在海上，船仅仅有帆还是不够的，必须要有龙骨，才能抢风而行，光帆没有龙骨，
不能抢风而行，但却有办法加以控制。光的压力只推而不挽，不可能把帆拉向太阳，但
其推动方向却可以借帆的倾斜而使它向左右行驶，而地心引力则提供稳定的向心拉力。
此种可操纵的左右推动及稳定的向心拉力，联合起来，便可将光帆驶向任何选定的方向。
或从一个轨道转移至另一轨道，只要它保持远离大气的阻力，及避免太过接近太阳致遭
粉身碎骨的命运。海上帆船航行所赖的是风和水，而太空中帆的航行则靠光和重力。
　　因为光帆是象个陀螺仪般在旋转，需要一稳定的扭力来使它转变方向。帆的转向可
用两种方法：可借操纵连接线的卷收及松放使货物之重心移至轴线的一边，或转变各反
射镜面之角度以变换日光压力的分布，第一种方法可使帆迅速转向，适宜于接
　　近行星时之操纵；第二种方法转向缓慢，适合在绕日轨道上行驶时使用，在绕日轨
道上航行时，光帆可在一次定位后，旋转前进数周之久而无须调整镜面角度，任何一面
反射镜发生故障，也不致对帆有所影响，因其数量很多，因此光帆可持续使用几千年而
不需修理。
　　光帆改变了太空，因它在太空中开拓了新的机会，它可用破记录的速度携带机器人
飞往各个行星，或载运人造卫星从低轨道到较高的轨道上去，此外由于它们比任何未来
的新式火箭节省得多，而可用以做更多的事。比如到小行星上采矿，一块一公里直径的
陨石钢，矿含的贵重金属，价值可达一兆美元以上，其中所含的镍和钻，足可供应全球
数年之用。光帆的生产成本虽只能作粗略估计，但太空工程师们有一套传统的估价办法：
先估计其总质量，再估测每单位重量需费若干，两者相乘，当可得其概数，依据这种方
法，估计每平方英尺光帆，将与每平方英尺家用铝箔同价（但每磅的价格则要贵得多！）
如此算来，则太空旅行的费用可以减低至每磅一美元或更少，比照目前的费用，减低了
一千倍之多，这无异是一次革命。

--
※ 来源:．紫 丁 香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: 202.118.228.139]