基本介紹
發展歷程,基本原理,套用,局限,影響,
發展歷程
著名天文學家克卜勒早在400年前就曾構想過不攜帶任何能源，僅依靠太陽光的能量使飛船馳騁太空的可能性。他曾指出，彗星煙霧狀的尾部就是在太陽光影響下“不斷飄動的”。克卜勒還計算出太陽光可為宇宙飛船提供的具體推力。但直到1924年，俄國航天事業的先驅齊奧爾科夫斯基和其同事燦德爾才明確提出“用照射到很薄的巨大反射鏡上的太陽光所產生的推力獲得宇宙速度”。正是燦德爾首先提出了太陽帆——這種包在硬質塑膠上的超薄金屬帆的構想，成為今天建造太陽帆的基礎。
宇宙一號太陽帆
宇宙一號太陽帆弗里德曼畢生致力於推動光帆航宇的發展，在上個世紀1976年他就職於美國宇航局噴氣推進實驗室的時候，他就提出利用一個64萬平方米的巨帆航向哈雷彗星進行探測的思路，美國宇航局認為太過冒險而沒有採納。他後來離開美國宇航局後，和他人一起組建了美國“行星協會”，在致力於推動國際太空合作的同時，讓他認識了許多俄羅斯宇航科學家和工程師，弗里德曼最終從他們中找到了志同道合的夥伴，共同建造並發射人類的第一個光帆。
合作中的投資方是美國的“行星協會”，金額為400萬美元，負責建造的是位於莫斯科的一家前蘇聯的航空航天公司，這家公司在發射摺疊飛行器並在太空張開方面有經驗。該項計畫在實施的過程中也遇到了重重困難。2001年4月，它在地面試驗過程中，由於線路短路造成該飛船的一些元器件和電纜受到損害，亞軌道飛行的時間一推再推。
弗里德曼（左）檢查光帆飛行器模型
弗里德曼（左）檢查光帆飛行器模型2001年7月20日，人類的第一個太陽帆“宇宙一號”從一艘俄羅斯的核潛艇上發射升空，但飛船由於沒能與第三級運載火箭分離而墜毀。在第一個“宇宙一號”失敗後，弗里德曼沒有放棄，決定重新建造新的光帆，名字仍然採用“宇宙一號”，工程師們花費了3年時間專門對太陽帆飛船進行改裝和完善，2004年夏季還進行了附加試驗，並決定不再重複短暫的亞軌道飛行，直接進行軌道實驗，而這就是俄羅斯核潛艇從巴倫支海發射的浴火重生的“鳳凰”。
2004年的8月，日本人研製的太陽帆升空並進行了170公里高的短暫亞軌道實驗，打開了兩個長約10米的樹脂薄膜帆板，檢驗了光帆展開的可行性，之後火箭和光帆墜入大海。美國航宇局2004年的8月也在進行太陽帆飛船的研究，並為選擇太陽帆的製造材料進行了大量測試工作，還探討了如何發射以及太陽帆在太空怎樣展開等問題。
2005年6月22日凌晨4時46分，俄羅斯用“波浪”火箭發射了以太陽光為動力的“宇宙一號”（Cosmos-1）飛船，進行太陽帆的首次受控飛行嘗試。最新飛行數據顯示，飛船在起飛83秒後遭到失敗，主持這一項目的美國行星學會說，在發射約20分鐘後，飛船與地面失去了聯繫。
2013年10月，美國宇航局的一個項目計畫向太空發射世界上最大的太陽帆。Sunjammer太陽帆任務在9月30的一項測試中成功展開了部分太陽帆，因此這個巨大的Sunjammer太陽帆成功通過了這項的設計測試，測試要求四分之一的太陽帆完全打開。太空飛船準備於2015年1月的發射。
2015年5月，由行星協會設計，用來在地球軌道測試太陽光帆技術的小型太空飛行器由阿特拉斯V型火箭成功發射。到達軌道後，太空飛行器將展開龐大的太陽帆，並測試太陽推動的效果。
基本原理
光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從牆上反彈回來的桌球一樣改變運動方向，並給撞擊物體以相應的作用力。單個光子所產生的推力極其微小，在地球到太陽的距離上，光在一平方米帆面上產生的推力只有0.9達因，還不到一隻螞蟻的重量。
太陽帆飛船概念圖
太陽帆飛船概念圖如果太陽帆的直徑增至300米，其面積則為70686平方米，由光壓獲得的推力為0.034噸。根據理論計算，這一推力可使重約0.5噸的太空飛行器在二百多天內飛抵火星。若太陽帆的直徑增至2000米，它獲得的1.5噸的推力就能把重約5噸的太空飛行器送到太陽系以外。
由於來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的太空飛行器最終可以以每小時24萬公里的速度前進。這個速度要比當今以火箭推進的最快太空飛行器快4—6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。太陽帆接受光壓的作用，它不僅可在需要時改變太空飛行器的運行軌道，而且能不斷加速飛行。
在炎炎的夏日下也感覺不到任何陽光的壓力，是因為它實在微小，一平方公裡面積上的陽光壓力總共才9牛頓。但太空中運行的太空飛行器處於失重狀態，又無空氣阻力，所以輕微的推力（太陽光的壓力）就可以讓它加速，太陽帆靠的就是它的光帆——非常輕而薄的聚酯薄膜，它們堅硬異常，表面上塗滿了反射物質，使得它的反光性極佳，當太陽光照射到帆板上後，帆板將反射出光子，而光子也會對光帆產生反作用力，推動飛船前行。因此，光帆的直徑越大，獲得的推力也越大，速度也將越快，改變帆板與太陽的傾角可以對速度進行調整。
太陽帆
太陽帆陽光是不會枯竭，同火箭和太空梭迅速消耗完的燃料相比，太陽光是無限的動力之源，只要有陽光存在的地方，它會始終推動飛船前進，光帆將以每秒約1毫米的速度加速移動。如果把它當作真正的宇宙飛行器使用，那么它在展開光帆1天后，按理論計算，它的時速將增加160公里，100天后飛船的時速將增加16000公里，如果它能持續飛行3年，速度會被提升到每小時16萬公里，這是人類任何飛行器都沒有達到過的速度，相當於人類的宇宙探測先驅“旅行者”號探測器飛行速度的3倍。如果用它來探測冥王星的話，可以在不到5年的時間裡達到，而最快的傳統飛船至少需要9年，美國宇航局使用普通飛船探測冥王星的“地平線計畫”預期需要的時間卻是十多年。
套用
- 衛星
太陽帆可以懸停在地球的極地上空。配備了太陽帆的太空飛行器也可以定位到離太陽很近的軌道上，並能相對於太陽或地球保持靜止。這種形式的衛星被命名為Forward衛星。
正在飛往水星旅途中的信使號探測器便利用了其太陽能電池板上所產生的光壓來進行軌道修正。通過改變太陽能電池板和太陽之間的相對角度，可以調整輻射壓的大小，這比推進器要精確得多。在引力加速機制下，很小的誤差也會被放大很多倍，所以，精確的軌道修正可以為以後節省大量的燃料。
日本發射的隼鳥號在回程時則使用太陽能電池板上產生的太陽光壓當做姿勢穩定控制，用以替代無法使用的X軸和Y軸控制裝置，並與離子引擎加以輔助尚能使用的Z軸姿勢控制裝置。
以太陽帆直接進行星際航行一直是太陽帆研發的最終目的。
2012年止唯一確認以太陽帆進行星際航行的，只有日本於2010年發射的實證測試宇宙探測器IKAROS。
局限
如果軌道高度低於800km，太陽帆基本就沒有用武之地了，因為此時大氣阻力的影響比光壓要大許多。只有當軌道高度大於這個限度時，太陽帆才能在光壓的推動之下產生一個非常微小的加速度，通過數月的累積達到足夠的速度。太陽帆通常要做得很大，而載荷相比之下就非常小了。直到現在，太陽帆的展開依舊是一個不小的難題。
影響
長期以來，人們一直都渴望著能夠擺脫對火箭的單一依賴，找到新的動力方式，實現人類遨遊太空的夢想，其中之一就是製造太陽帆利用太陽能來進行太空航行.
科學家們認為，“太陽帆”飛船可能是人類星際旅行的唯一希望，因為以太陽光作為動力，可減少宇宙飛船攜帶的大量燃料，增加其機動性範圍，使其在太空停留更長的時間，而且只要有陽光存在的地方，它就會不斷獲得動力加速飛行。太陽帆代表了人類未來太空飛行的技術，如果這次試驗能夠成功，它將為開發新型宇宙發動機方向邁出重要一步，可以相信，人類未來完全可以利用太陽帆從事深空探索，並給人類的太空旅行帶來一場新的革命。因此，“宇宙一號”的命運不僅關係到未來星際航行中能源系統的建設，也將關係到人們對研製開發太陽帆的態度。
