到达火星仅需20天，有了这项技术，人类飞出太阳系不远了

随着天文探测技术的飞速发展，人类的足迹在上个世纪60年代末就已经到达了月球，而人类探测器到达的地方则更远，像地球的近邻天体－月球、金星和火星，上面都拥有着人类探测器的“足迹”，更远的空间，比如太阳、木星以及天王星、海王星、冥王星，我们也都发射过诸多探测器进行近距离探测。目前，深空探测器飞行最远的当属旅行者1号，已经到达距离地球220多亿公里的宇宙空间。

然而，从目前探测器的飞行速度来看，仍然非常低，比如最远的旅行者1号，目前的飞行速度仅有每秒17公里，这个速度在地球上看简直是“风驰电掣”，但是对于广袤的宇宙空间，这点速度真是龟速。如果将太阳系的有效引力范围确定为太阳系边界的话（2光年），那么旅行者1号距离真正飞出太阳系，还得至少需要1.7万年之久。

2020年，我国发射了天问一号火星探测器，成功抵达火星并顺利释放出祝融号火星车，开启了伟大的火星探测之路。虽然火星是地球的其中一个近邻，但是以目前的探测器发射和飞行速度，探测器到达火星还得需要半年的时间。与整个太阳系相比，这点距离简直可以忽略不计，在海王星外围还有柯伊伯带，再向外还有更广阔的奥尔特云，如果仅靠常规的探测器，几万年的时间才有可能脱离太阳系的范围，这无疑是遥遥无期的。

不过，科学家们另辟蹊径，依靠着另外一种能量供给方式，来为探测器提供源源不断的能量，而且能量密度极高，可以为探测器在短时间内提供极高的飞行速度，这种技术就是“光帆”，也叫“太阳帆”。

早在400年前，天文学家开普勒就提出了“光帆”的设想，人类可以制造出不携带任何能源、仅仅依靠太阳光的辐射能量，就能快速飞行的飞行器，同时开普勒还计算出利用太阳辐射能，可以为飞行器提供的具体推力大小。在这400年间，很多科学家根据牛顿第二定律及相关物理原理，对“光帆”技术进行不断论证，不断提出改善飞行器材质、优化飞行器结构的方案。进入本世纪后，俄罗斯、日本、美国等国家，就此项技术开展了一系列的太空试验，为后续“光帆”技术的发展奠定了基础。

著名宇宙学家霍金，生前提出了一项令人振奋的计划，即“突破摄星”工程，应用的就是“光帆”技术，通过利用太阳辐射提供的光压，将质量很轻的飞行器进行加速，经测算，理想状态下，飞行器可以在50年的时间内到达距离我们最近的恒星－比邻星。如果按照这样的速度来衡量，我们也仅需要不到一半的时间，就能真正的跨越太阳系了。

“光帆”技术的原理非常简单。大家知道，光线的构成以及运动，都是其中存在光子的结果。光子是一类没有静止质量但具有动态质量的粒子，光子在以光速进行运动时，如果撞击到非常光滑的表面，那么就有一部分光子被表面反弹回来，从而形成光的反射。按照动量守恒定律，光子在被反弹回来时，也会给被撞击的物体相应的作用力，从而可以改变物体的运动状态，使其以一定的速度沿着光子原来的行进方向运动。

由于单个光子对物体所产生的推力极小，所以，为了获取更大的推力，则需要物体接受光子撞击的数量增加，所以物体的表面积越大，那么所受到的推力就会越大。但是，按照牛顿第二定律，一个物体的加速度大小，取决于所受合力的大小以及物体的质量，一方面合力越大，加速度就越大，这就是刚才所说的通过增加物体表面积的方式，来提高物体所受光子推力的合力。另一方面，物体的质量越小，则在相同的推力下，所得到的加速度就越大，从而更容易被加速。

由于地球大气层因素的影响，如果在近地面的空间内进行“光帆”加速，无疑受到的阻力会非常大，而且飞行器所受光压推动的数值本身就非常小，因此要想获得理想的“光帆”加速，必须要在地球大气层之外的深空处来实施，这样即使轻微的推力就能使飞行器获得加速效果。

通过刚才的分析，我们可以看出，决定着“光帆”加速的两个因素，即飞行器的表面积和质量，似乎是一对矛盾，表面积越大，质量就可能越高，因此如何既能保证飞行器接受光子的数量还多，另外质量还轻，就成为决定“光帆”实施效果的重要因素，这样“优秀”的飞行器制造材料理所应当成为了重中之重。

通过科学家们长期的研究，认为一种非常轻而且薄的聚酯薄膜是理想之选，这种材料不但轻薄，而且异常坚硬，同时反光效果极佳，这样就能够满足减少飞行器质量、提高光线反射率、增强耐受性等方面的需要。

在飞行器材料优选的基础上，近期，加州大学洛杉矶分校的研究团队又提出了额外的支撑方案，一方面通过瘦身来给飞行器减重，使飞行器总质量不超过100克，而且在原来的聚酯薄膜中增加氮化硅或者氮化硼物质，使飞行器表面对光线的反射性能更为出众。另一方面，可以通过在地球上向飞行器发射激光，来提高给飞行器提供的推力，从而提高飞行器的加速度。

通过理论计算，通过优化改造的“光帆”飞行器，从地球上空飞行火星仅需20天，飞到冥王星只需要3年时间，这比之前“传统”的探测器飞行速度有了质的提升。目前该方案已经通过了诸多科学家们的论证，并且已经开展了相应的太空试验。

虽然利用“光帆”技术的核心受制约因素是质量问题，我们短期内还不能突破利用“光帆”实现载人航天的目标，但是，通过对飞行器结构的优化、携载设备的技术升级，不久的将来或许就能够实现无人的深空探测，我们人类不再需要等待上千上万年的时间，就能够看到太阳系外的宇宙空间究竟是什么模样。