互动科普

自从天文学家发现宇宙包含数量超乎预想的行星以来，梦想我们太阳系外世界的科幻小说就具有了更现实的一面。研究那些遥远的行星可能揭示地球真正有多特别，并告诉我们关于人类在宇宙中的地位方面的更多东西。这一观点已促使航空航天局将其注意力转向恒星。

注意是一回事，而对实际的探索来说工程现实是严峻的。利用当今的技术，甚至到达最近的恒星都要费数万年时间。1998年我为航空航天局协调了一项对推进概念的研究，这些推进方式可能使探测装置足够快的到达另一颗恒星，以在40年以内——相当于一个科学家的职业生命——完成其探测任务。我们只提出了3种现在似乎有可能实现的方案：核聚变（参看本文框内短文《去恒星》），反物质和波束能量。在这几种方案中，人们只对波束能量作为任何现实的近期研究项目的一部分有比较充分的理解。可以容易明白波束能量具有吸引力的原因，当你驱车远行时，就靠加油站补充燃油，靠机修工使其保持运行。相反，现在的字宙飞船必须自己携带所需的全部燃料，并且必须在没有人类干预的情况下运行。但是发动机和燃料能以某种方式留在地球上吗？除了能进行飞行中修理这种可能外，这种安排能使宇宙飞船质量很小从而易于加速。

波束能量可能提供一条途径。工程分析表明，长程太空飞行的最佳方法是向一个大型薄“帆”，发出强大的光学激光。这一思想早在1984年就由Robert L. Foward首次提出了。激光能将能量发射到很远的地方。大面积的帆使其能接收相对于质量来说是相当大的能量。其它类型的波束能量（如微波）也利用。一些研究人员甚至已经考虑向宇宙飞船发射带电荷的粒子，到达飞船的粒子将穿过超导磁环，从而产生提供推力的洛伦兹力。但就目前而言，发向帆的激光似乎是最实际的选择。

当来自激光器的光子击中帆时，两种情形之一就会发生。它能与环绕帆上原子的电磁场发生弹性碰撞并被反射。另一种情形是，光子能简单地被帆材料吸收，这一过程使帆微微变热，两种情形都要传递加速度，但反射传递的加速度是吸收的两倍。因此，有效的帆是反射型的。

激光产生加速度与它传给帆的力成正比、与宇宙飞船的质量成反比。当然，同其它推进方法一样，光帆性能也受材料的热特性和强度——以及我们设计小质量结构能力的制约。帆设计的方案包括一种光亮的薄金属片，其大部分加上某种背衬以增加结构强度。

能够传送的能量受帆加热的限制：随着金属表耐越来越热，它的反射作用越来越弱。帆达到的温度可降低从而使其加速度增加，方法是在其背面覆盖一种将热量有效辐射掉的材料。

要达到非常高的速度宇宙船必须保持它的加速度。

光帆最终可取得的速度取决于地面激光能有效地向其目标物发射激光的时间。激光有一种重要的特性即相干性，它意味着它能传递的能量随距离增大而减少，直至临界值即衍射距离。超过这一距离传递的能量很快就变得很少。

激光的衍射距离从而它驱动的宇宙船的最终速度取决于激光器孔径的大小。极为强大的激光器可能由数个排成阵列的较小激光器组成，有效的孔径约为整个阵列直径。当阵列排得尽可能紧密时，传送的能就达到最大。我们用了一种嵌花设计，其排列密度接近100%。在加州帕萨迪纳喷气推进实验室，我的小组已经研究了单个激光器功率和阵列大小之间的探测费用比较情况。恒星际探测所需的孔径尺寸是巨大的。我们设计用于将一个探测器于40年内送到附近的半人马座阿尔法星的相控激光器，阵列的直径将达1000千米。幸运的是，照射50米直径金盘帆的46千兆瓦激光器只需要l5米直径就能在10天内将一个l0千克负载送到火星上。这一系统能在3-4年内将探测器进到太阳风与星际介质间的边界。

光帆飞船能设计成自动地跟随激光束，这样其航行就可在地球上操纵帆。甚至可以有一个反射外层环，在到达目的地时此外层环分离开来，象从前那样继续前行，并将激光反射回帆的分离开来的中心部分，从而使其返回地球。

光帆相关的工作已做了许多。国防部已开发出了大功率激光器并发展了精确瞄准能力。这是其弹道导弹防御和可能的反导武器制造的组成部分。目标是反射太阳光的帆状结构已作了试验。作为在冬季为俄罗斯北部城市提供额外照明计划的一部分，俄罗斯科学家已发射了一个直径20米的旋转式多聚物太阳反射器Zonmy2号，25米直径型计划于2月份试验。

美国国家海洋和大气管理局计划于4年内发射太阳帆为动力的宇宙飞船。该船将在地球和太阳之间的轨道不稳定位置徘徊，从那里提前一小时发出有关太阳暴发射出的粒子的预先警报。

航空航天同行正在评价开发激光帆作为取代常规火箭的低成本可能选择的计划。这方面的项目，包括从在地球轨道上展示l00米直径帆到穿越我们行星系的边缘处的激波旅行。

在不久的将来，实验室试验能够测定到火星，柯伊伯带的星际介质探测器的激光帆候选材料的性质，新墨西哥州自沙导弹试验场的军用兆瓦级化学激光器可用于照射从宇宙飞船上部署的帆，以便获得的加速度能被检验，能够便宜地使用高压电力网的计划中的兆瓦级激光器可在5年内推动光帆变换轨道。我估计10年内各种激光器能为地球的科学探测器提供动力。

我们领略了光帆未来的可能情景，看到了快速便宜通向遥远的太阳系及更加遥远之处的美妙前景。总有一天它们将使到遥远恒星去旅行成为现实。