[科普中国]-“光帆2号”探测器顺利入轨，成为首个纯太阳动力地球卫星

“光帆2号（LightSail 2）”太阳帆探测器已于美国东部时间6月24日发射升空，并于北京时间7月2日下午“单独”入轨。从目前的进度看 ，“光帆2号”探测器已打开太阳帆，并传回无线电信号，发射任务取得圆满成功。在这次“最难发射任务”中，SpaceX的重型猎鹰火箭载荷舱内携带了多达24个航天器，其中一个称为Prox 1航天器，重量仅为50公斤。这是由乔治亚理工学院学生团队研发的自动化立方体科研卫星，而“光帆2号”探测器则依附在该航天器上。重型猎鹰火箭在升空后1小时20分，于720公里高度第一个释放了Prox 1航天器。发射一周后，Prox 1航天器才释放“光帆2号”探测器。眼下，“光帆2号”在空中飞行顺利。太阳帆驱动原理“光帆2号”探测器由美国行星协会主导研发，由其编号可以看出，这是“光帆1号（LightSail 1）”探测器的升级版。行星协会在2005年借助俄海军K-496 号核潜艇在巴伦支海发射了该机构的第一个太阳帆探测器，但由于Volna火箭故障，其未能顺利入轨。2009年，行星协会开始研发“光帆（LightSail）”系列太阳帆探测器，2015年才发射“光帆1号”探测器，虽然遭遇软件故障，但仍然获得了成功。那么，这种奇特的飞行器是怎么来的呢？这就要从它的概念提出说起了。19世纪60年代，麦克斯韦方程让我们明白“光（光子）是有动量的”，随后，著名科幻小说作家凡尔纳构想了利用太阳帆航行到月球的画面。在接下来的上百年时间里，太阳帆飞行器一直处于理论阶段，直到1980年行星协会成立，这个设想才开始走向现实。太阳的光子落在太阳帆上，可产生辐射压力（光压）。由于太空中没有空气阻力，因此每单位时间内撞击太阳帆的光子数量越多，那么在一定时间范围内，获得的加速度就越大。以行星协会开发的第一个太阳帆探测器宇宙-1号为例，理论上可以在3年内加速到45公里每秒。飞行速度的提升可以让航天器快速抵达目标，这样我们有望在五年内飞抵冥王星，大大节省了空间飞行所耗费的时间。同时，太阳光可以持续推动太阳帆，在整个航行过程中对航天器进行加速，达到化学能火箭所无法达到的速度。从理论上看，太阳帆没有尺寸限制，行星协会联合创始人之一路易斯-弗里德曼曾提出了打造60万平方米的太阳帆的设想，但如何部署却是一个问题。对比“光帆1号”的升级与“光帆1号”探测器相比，“光帆2号”有几个不同点：第一，轨道更高，这样可以避免地球大气对太阳帆的干扰；第二，“光帆2号”上携带了动量轮，这是“光帆1号”所没有的。动量轮可让太阳帆翻转，从而控制太阳帆与阳光之间的夹角。当“光帆2号”面向太阳飞行时，通过动量轮的控制让帆面与太阳光呈平行排列，这样太阳光子就无法作用在太阳帆上；反之，当“光帆2号”背向太阳时，让帆面与阳光垂直，这样就可以利用光子推动并加速探测器，最终提升轨道；第三，“光帆2号”增加了激光测距实验，在其底部安装了一组镜面，地面控制站可通过将激光束打到“光帆2号”底部的镜面，对其进行精确测距。这样做的原因在于“光帆2号”上没有其他动力装置，全部依靠太阳帆推进，通过激光测距可精确掌握“光帆2号”在太阳帆推动下的轨道变化；第四，“光帆2号”升级了计算机控制面板和太阳帆骨架标记，地面团队可测试其太阳帆是否全部展开，当帆面完全展开时，总面积为32平方米；第五，“光帆2号”探测器得到了Prox 1航天器的支援。后者在释放“光帆2号”之后，继续在其附近50至150米范围内伴飞，对“光帆2号”进行成像观测，可以告知地面太阳帆是否全部展开；第六，鉴于“光帆1号”探测器遇到的软件、电池等故障，“光帆2号”在软硬件方面都进行了升级。作为太阳帆探测器中的新人，“光帆2号”其实并不能代表人类在该领域的最先进科技，也未有任何突破性的进展。它的轨道仍然局限于近地轨道，唯一的亮点在于，其完全利用太阳帆作为动力，证明了太阳帆是立方体卫星的一种可行驱动方式，立方体卫星是目前被广泛使用的微小型卫星。与日本IKAROS探测器相比，“光帆2号”的任务结构比较单一。IKAROS探测器是第一个在行星际空间中展示太阳帆航行技术的实验航天器，并且完成了对金星的飞掠。从太阳帆面积上看，IKAROS的太阳帆面积也达到了196平方米，远远超过美国宇航局（NASA）的微型光帆（NanoSail-D2）太阳帆实验航天器的10平方米和“光帆2号”的32平方米。太阳帆探测器的未来太阳帆探测器目前仍然处于实验阶段，主要开发机构来自美国和日本。日本的IKAROS探测器达到了一个前所未有的高度，完成了行星际实验飞行，并进入绕日轨道。根据日本JAXA对太阳帆的研发经验，下一代太阳帆探测器将有两套动力，一种是太阳帆，另一种是离子发动机，两者结合可发挥出最大的效能。日本JAXA计划在2026年发射OKEANOS太阳帆探测器，携带高分辨率质谱仪对木星进行探索。其太阳帆也升级为太阳能电池板与太阳帆混合动力，JAXA称之为太阳能帆，面积达到1600平方米，产生的电力可供离子发动机使用。一旦太阳帆技术成熟，可为行星际探索提供新的模式，让航天器更快抵达目的地，缩短空间飞行时间。作者 | 林文杰 航天科普作者审稿 | 邵相军 紫金山天文台博士编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国