LightSail 2 的成功可能为更多太阳能航天器铺平道路

早在有人考虑使用推进器探索太空之前，德国天文学家约翰尼斯·开普勒就梦想着利用天风出行，因为他注意到太阳似乎会吹回彗星的尾巴。1608 年，他写信给伽利略·伽利莱说：“只要有能适应天风的船只或帆，就会有人敢于挑战那片虚空。”

四个世纪后，一艘众筹的宇宙飞船“光帆 2 号”成为最新一艘实现这一目标的宇宙飞船。虽然我们所知的风在太空中肯定不会吹，但这艘飞船可以直接利用其他东西：来自太阳光的适度推力，在绕地球运行时调整其路径。行星协会是一家私人太空探索组织，它率先开发了这艘宇宙飞船，以证明当光线照射到其闪亮的帆背面时产生的微小力量足以作为一种运输方式——这项技术有朝一日可能会开启新型太空任务，并为破坏性太阳风暴提供关键见解。

经过近半年的试验，LightSail 2 团队已经掌握了驾驶终极太阳能太空飞行器所需的条件。尽管它的轨道距离国际空间站数百英里，但地球大气层最薄的部分延伸得更远，慢慢地将卫星拖向毁灭。虽然飞行器无法持续克服这种空气阻力飞离地球，但改进的操纵技术明显减缓了飞行器的下沉速度，有时甚至逆转了下沉速度。

“在多个间隔内，我们还能够提高轨道能量，”普渡大学博士生、最近发表的一篇描述火箭目前性能的论文的合著者贾斯汀·曼塞尔 (Justin Mansell) 说道。“这证明了我们的任务成功。”

光帆 2 号并不是人类首次成功利用阳光航行。这项荣誉属于 IKAROS，它是一艘长约 50 英尺、宽约 50 英尺、重达数百磅的日本航天器。2010 年，它在前往金星的途中，在行星际空间中获得了来自阳光的可测量推力。

光帆 1 号最终成为下一个于 2015 年安全进入太空的太阳帆。这艘测试飞船成功完成了展开太阳帆的主要目标，但由于无法控制方向，它很快就陷入困境，坠回地球，并在大气层中烧毁。

行星学会希望，续集将实现 5 万多名捐赠者的希望和梦想，他们共捐赠了 700 万美元来资助这两架原型机。去年 6 月，它搭乘 SpaceX 的猎鹰重型火箭，搭载 24 颗国防部卫星，进入距离地球 400 多英里的轨道——几乎是其前身的两倍高。在稀薄的空气和适当的控制系统的帮助下，该团队的目标是实现真正的高度调节、太阳帆驱动的飞行。

但学习控制这艘船并非一帆风顺。展开后，这艘轻如羽毛的船帆（由一种名为 Mylar 的材料制成）可以覆盖一个拳击台，但所有的转向力都来自粘在中间的一块面包大小的船身。光帆 2 号仅重 11 磅，拥有迄今为止所有太阳帆中最佳的重量尺寸比和最快的加速度。但这种最强的性能使其控制起来很麻烦，而且正如任何水手都知道的那样，严密的控制对于到达目的地至关重要。“有些方面与驾驶船非常相似，”曼塞尔说，他于 2018 年获得了驾驶陆地船只的资格。

光帆 2 号在远离太阳时航行速度最快，因为恒星光线会将其推向“顺风”。在这段轨道上，团队将其指向远离太阳的方向，以获得最大的光照（想象一下在狂风中撑伞的最危险姿势）。然而，在其一个半小时的轨道运行后期，它滑入地球阴影——这对太阳帆船来说是无风带。然后它又转回另一侧，努力“逆风”抵抗阳光的压力。在这段轨道上，团队的目标是将帆的边缘对准太阳，以尽量减少反作用力。

为了操纵，该飞船有两个系统。其不大的机身装有一个小的“动量轮”，当它旋转时，飞船会向相反方向扭转。光帆 2 号还配备了两个产生磁场的带电金属线圈。这些线圈可以抓住地球磁场，让操作员对准航天器。曼塞尔说，弄清楚如何最有效地操纵占了太阳帆学习曲线的大部分。

但经过五个月的练习和数据收集，太阳能航海员们确信船帆可以帮助它保持高空飞行。当水手们放开控制杆时，由于稀薄空气的阻力，飞船平均下降 113 英尺，离地球更近。然而，在航行过程中，光帆 2 号往往只下降 65 英尺。在航行最好的一天，团队成功将轨道提高了 24 英尺。曼塞尔说，由于来自这一太空带的卫星信息稀少，团队最初并不确定会有什么表现，因此该航天器还兼作远大气层厚度的探测器。

“尽管我们航行得非常好，但总有几天大气比平时稠密一些，”他说。“其他日子，当大气层在那个高度稍微稀薄一些时，我们就有更好的机会提高轨道。”

为了定期升空，团队成员估计光帆 2 号需要从距离地面至少 500 英里的地方开始。目前，该飞行器位于距地面约 400 英里的地方，注定会继续向下盘旋，最终在大气层中熄火——也许会在今年夏天。不过，在此之前，该团队还有两项实验要做。他们首先计划测试其保持稳定航向的能力，让飞行器直指太阳。当光帆 2 号真正开始下降时，他们将尝试通过改变方向来控制下落速度。

曼塞尔表示，行星学会目前没有计划建造光帆 3 号，但太阳帆的未来在深空。太阳帆在远离地球的地方效果最好，因为那里没有大气痕迹可以减慢它们的速度，而且它们不会经常陷入阴影中。NASA 计划最早于明年在其即将进行的太空发射系统的首次测试中发射一艘光驱动飞船，光帆 2 号团队也提供了咨询。正如其名称所暗示的那样，近地小行星侦察员将乘坐太阳帆飞往附近的小行星并对其进行侦察。

将来，太阳帆或许还能实现新型任务。传统航天器使用推进器快速调整路径，但通常仍局限于行星所遵循的相同椭圆轨道，正如约翰尼斯·开普勒曾经发现的那样。太阳引力控制着这些天体的运行路线，但增加来自阳光的恒定推力可以实现所谓的“非开普勒”轨道。例如，人们可以无限期地将太阳帆航天器平衡在地球和太阳之间，而这个点是依靠推进器的飞行器无法到达的。如果配备太阳监测仪器，这样的前哨站可以比目前的太空太阳观测站提前十几倍发出太阳风暴预警。

曼塞尔表示，他对太阳能帆船的未来充满期待，并很感激能够加入团队，帮助它起步。“能够参与这项对很多人来说意义重大的任务，真是难得的机会。”