来源：公众号“中国光学”（ID：ChineseOptics）
撰稿 | 秉正（清华大学 硕士生）
对于科幻迷来说，电影《阿凡达》是不可磨灭的记忆。在电影中，人类已经具备了宇宙大航海的能力，ISV“冒险星”号宇宙飞船更是颠覆了我们的想象。“冒险星”号的动力来自于太阳帆、反物质发动机和核聚变发动机。
按照官方设定，在从地球飞往阿尔法星系的这一典型星际飞行任务中，“冒险星”号会首先利用光帆，借助地球照射的激光，进行为期近6个月的加速飞行，直至达到最高航行速度——0.7倍光速，并保持亚光速飞行5年多的时间；在抵达阿尔法星系前，该飞船会利用反物质发动机进行为期近6个月的减速飞行；最后，该飞船会利用核聚变发动机进入潘多拉星的德尔塔-v轨道。
图1：ISV“冒险星”号宇宙飞船全貌。下方是潘多拉星，后方是波吕斐莫斯气态巨行星
图源：电影《阿凡达》
科学往往源于天马行空的想象，电影中的场景或将成为现实。科学家们认为，“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的希望之一，因为以太阳光作为动力，不仅可以减少宇宙飞船携带的燃料重量，提高其机动性，使其在太空停留更长的时间，而且只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行。
大家经常可以在海面上看到帆船，对于帆船航行的原理，大家一定不陌生。那就是利用海风吹拂在船帆上生成的气压，获得帆船前进的动力。通过控制风帆的旋转角度，帆船甚至可以逆风而行。太阳帆所运用的原理也与帆船航行的原理类似。太阳也有风，即从太阳外层大气不断发射出来的稳定离子流，但太阳帆利用的并不是太阳风，而是推动力比太阳风还要大1000多倍的太阳光。由于太阳光压产生的推力很小，所以基于太阳帆的航天器不能从地面起飞。太空中运行的航天器处于失重状态，再加上没有空气阻力，所以轻微的太阳光压就可以让它加速，使得太阳帆不需要携带燃料就可以推动航天器不断加速。来自太阳的光线提供了无穷无尽的推动力，理论上能够使装有大型太阳帆的航天器最终达到24万公里/小时的速度。太阳帆甚至可以成为目前唯一可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器概念。太阳帆主要是由反射薄膜、支撑结构、太阳帆展开组件等组成。为了减轻飞行器的重量，增大受光面积，需要采用超薄和大面积的太阳帆面。其材料还必须具有优异的空间稳定性，耐高低温性能，优良的综合力学强度，以及易于成形和大面积制备等特点。此外，为了满足太阳极图拍摄等任务，太阳帆材料还需要能够对太阳帆本身的姿态和航行进行调控。图3（Gif）：太阳帆效果演示
图源：The Planetary Society
鉴于此，来自美国加州大学洛杉矶分校的Artur R. Davoyan、美国国家航空航天局的Les Johnson（科幻小说作家、NASA太阳帆首席研究员）等人以“Photonic materials for interstellar solar sailing”为题在Optica上发表综述文章。该文章描述了面向下一代太阳帆光学材料和光子设计相关的要求和挑战。概述了技术发展路线图，以指导研究人员开创太空未来。
目前太空推进主要手段为化学推进和电力推进技术。化学反应推进火箭是载人和星际任务的支柱，而电动发动机，如等离子体和电喷雾推进器，则用于空间站保持和有效的轨道机动。他们的本质都是通过排出飞船上的燃料从而产生推动力。而燃料排出的量和速度会直接影响飞船的速度和能够到达的位置。其本身较为粗笨，而且无法满足一些航行任务的需要。因此，寻找更高效和更先进的推进方法成为目前的一个研究热点。太阳帆无需携带推进剂，利用太阳辐射压力与重力相平衡，能够到达传统推进方式无法到达的位置，包含晕轮轨道和高倾角轨道。图4所示为太阳帆的受力示意图。太阳帆的速度依赖于其光学特性（例如材料对太阳的吸收率和反射率），帆面积与航天器总质量比（A/m）以及近日点（d0)。A/m和d0越小，飞船的速度越快。以下讨论关于太阳帆的讨论适用于接近太阳时的情况。图4：太阳帆受力图，FG为引力，将太阳帆拉向太阳，FP为太阳辐射压力，将太阳帆推离太阳
图源：Optica / 图译：撰稿人 秉正
四、材料和结构设计面临的挑战
当距离太阳0.1 AU（约为20个太阳半径）时，太阳帆所承受的太阳辐射是在地球上的100倍。这虽然保证了较高的巡航速度，但是一不小心就会导致材料的热损坏。而辐射冷却作为唯一的温度调节机制，用来平衡入射和其他辐射产生的热量。平衡如图5所示。图5：太阳帆能量平衡示意图
图源：Optica
因此在材料的设计和选择过程中，低吸收率，高反射率变得尤重要。布拉格镜子，超表面，光子晶体等方式相对于传统的太阳帆材料可以获得更薄，更轻的反射体。
五. 对帆的主动调控
除了重量轻和高反射率的需求之外，控制阳光散射的方向和强度也尤为重要，其可以用来调控太阳帆的姿态。目前是采用笨重且复杂的机械系统调控辐射压力和相关的动力。可调控光的相位和强度的材料目前是一研究热点。液晶和光栅等可以改变入射光的方向，从而改变光的传播方向，继而改变光的动量。帆为了互补从而获得了动量。因此，对反射或折射的任意控制可以实现有效的动量传递和对帆的任意控制，不仅允许向前推进，还可以提高和降低帆的轨道。如图6所示，薄膜控制局部反射强度，获得所需的辐射压力分布从而控制推力和扭矩。图6：控制反射强度从而获得推力和转矩示意图
图源：Optica / 图译：撰稿人 秉正
六、太空航行的环境影响
在距离太阳0.1 AU，或者大约20倍太阳直径的位置 ，其周围环境与地球情况大为不同。虽然未到达日冕的位置，太阳风会与太阳帆相互作用。在这个距离，太阳帆面对的太空环境会导致其老化等问题。如图7所示，H和He离子（时速可达100-1000 Km/s），X和γ射线等会导致太阳帆产生气泡，表面溅射，开裂，剥落和分层等情况。而等离子体与纳米光子结构特别是薄膜异质结构的相互作用及其对结构稳定性和光学性能的影响尚不清楚。对其进一步的研究是很迫切的。图7：太阳等离子体和高能粒子对太阳帆的影响
图源：Optica / 图译：撰稿人 秉正
七、下一代太阳帆
太阳帆为人类更近距离接近太阳提供了可能。但是作为星际航行的太阳帆仍旧需要克服众多科研难题，才能实现更加先进的驭光飞行。图8的灵感来源于相邻星际地图，其中列举了为了完成星际航行所需研究的领域，距离圆心越远，代表需要做出的努力越多。图8：星际太阳帆材料路线图
图源：Optica / 图译：撰稿人 秉正
例如，调控反射和透射的超材料可以有效地控制太阳帆的姿态以及航行。高温光子材料则使近距离飞近太阳，探测太阳大气和以前所未有的速度推进星际空间变为可能。因此为了进一步推进太阳帆的极限，在材料科学和纳米光子学领域仍旧需要投入大量的精力。
相信在不远的将来，随着相关材料科学和纳米技术的进步，下一代太阳帆可以承担起重要太空探索任务的重任，实现人类在宇宙大航海的梦想。
论文信息：
Artur R. Davoyan, Jeremy N. Munday, Nelson Tabiryan, Grover A. Swartzlander, and Les Johnson, "Photonic materials for interstellar solar sailing," Optica 8, 722-734 (2021)
参考资料：
[1]《太阳帆：在太空中驭光而行不是梦》，中国航天报
[2] 《从星际到大气：电影《阿凡达》中的飞行器设定》，成都立巢航空博物馆
[3] 《LightSail – Flight by Light》, The Planetary Society
监制 | 赵阳
编辑 | 赵唯
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