旅行者1号以每秒17公里的速度飞行了35年，才刚刚穿越日球层顶。所谓日球层，是太阳在宇宙中吹出的一个看不见的巨大气泡。太阳每时每刻都在向四面八方喷射高速带电粒子流，这股被称为太阳风的粒子洪流以每秒几百公里的速度向外奔涌，在浩瀚的星际空间中开辟出一片属于太阳系的领地。这个领地的边界，也就是太阳风与星际介质相遇并达到平衡的地方，便是日球层顶。按此速度计算，抵达距离我们最近的恒星系统比邻星，也需7万年之久。于是，科学家决定向宇宙借一阵风，光的风。早在400年前，天文学家开普勒就注意到彗星的尾巴总是背离太阳，他猜测是某种太阳风在推动它们。这个猜想启发了后人一个大胆的设想：如果光真的能产生推力，那么我们能否制造一面巨大的帆，像帆船驾驭海风那样，驾驭这股来自恒星的光之风？

这个想法在20世纪终于有了科学支撑。爱因斯坦发现，光虽无静止质量，却携带动量。当光子撞击物体表面时，会传递微小的推力，当科学家把这种由光产生的压力称为光压。这种力有多小呢？在地球到太阳的距离上，阳光照射在每平方米镜面上产生的光压仅为9微牛顿，大约是两粒盐放在手心的重量。如果把一面足球场大小的镜子放在太空中，太阳光产生的总推力还比不上一个鸡蛋的重量。

但在太空中，没有空气阻力，也没有摩擦力，航天器处于完全失重状态。即使是9微牛顿的推力，只要持续作用，也能产生恒定的加速度。日积月累，微小的加速度能让航天器达到每秒数十公里的惊人速度，这是传统火箭在燃料耗尽后永远无法触摸的。正是基于这一原理，太阳帆的设想有了实现的可能：用一面比蝉翼还薄的超轻镜面，在太空中展开成巨大的反射帆，捕捉每一束阳光的推力。

2016年4月12日，在人类首次进入太空55周年纪念日，我们熟知的物理学家，霍金宣布了一项震撼世界的计划：突破摄星。以光为动力，迈向遥远的星辰。在地面上，科学家建造史上最强大的激光阵列照射在光帆上，在短短10分钟内将飞船推向每秒6万公里，达到光速的五分之一。如果以这样的速度，20年即可抵达比邻星。

而这个宏伟计划实则也站在了巨人的肩膀上，早在霍金宣布突破摄星之前，人类已经在太阳帆技术上摸索了多年，积累了宝贵的实践经验。

2010年5月，日本发射的伊卡洛斯号（IKAROS）成功在太空展开，其整个帆面由仅7.5微米厚的聚酰亚胺薄膜制成，比保鲜膜还要薄，完全没有任何支撑骨架。它通过每分钟5-10转的自旋产生离心力，让柔软的帆面在太空中展开。帆膜边缘被嵌入了72块液晶面板，通过改变不同区域的反射率来调整飞行姿态。2010年，NASA发射了NanoSail-D2，其专注于一个更实际的应用：清理太空垃圾。它展示了如何用太阳帆让报废卫星缓慢降轨，最终在大气层中烧毁。而2019年成功飞行的LightSail-2则创造了新纪录：它成为首个纯粹依靠太阳光压实现持续轨道提升的立方体卫星太阳帆，在任务期内显著减缓轨道衰减，甚至阶段性抬升轨道。这些先驱者的成功，让科学家们相信用光压推动飞船前往其他恒星不再是幻想。

2019年，中国科学院沈阳自动化研究所研制的天帆一号成功完成了我国首次太阳帆在轨关键技术验证。与日本IKAROS的自旋展开、美国LightSail的刚性支撑不同，我国科学家创新性地采用了两级主被动展开系统，也就是第一级利用弹簧驱动快速展开，第二级再通过电机精确控制，确保0.6平方米的帆面在太空中展开。这种设计兼顾了展开速度和精度控制，为未来大型太阳帆的展开提供了新思路。

而我国的真正优势体现在材料创新上。太阳帆的核心材料是聚酰亚胺，被称为黄金薄膜。当我们第一次看到聚酰亚胺薄膜时就会明白这个称呼的由来，它呈现出一种独特的金黄色光泽，如一片轻薄的黄金箔片。这种色彩源于其特殊的分子结构，其中的共轭体系会吸收可见光中的蓝紫光，从而呈现出金黄色调。

但聚酰亚胺的黄金之名，更多地体现在它无与伦比的性能价值上。在材料科学界，很少有材料能像聚酰亚胺这样，在如此多的性能指标上都达到顶尖水平。这种材料可以在260到300摄氏度的高温下长期稳定工作，短时间内甚至能承受超过400摄氏度的极端高温。除了耐高温，在低温下，即使在接近绝对零度的液氦环境中，聚酰亚胺依然保持柔韧，不会变脆断裂。这种从极寒到极热的超宽温度适应范围，在所有高分子材料中都是独一无二的。

在地球上，它能抵抗各种有机溶剂的侵蚀，耐受酸碱腐蚀；在太空环境中，它能经受住原子氧的轰击和强烈的紫外线辐射。而且它的密度只有每立方厘米1.4克左右，可以被加工成2到5微米的超薄膜。当这样的薄膜在太空中展开成巨大的帆面时，整个结构的质量依然轻得惊人。这种极致的轻量化，配合其优异的强度和稳定性，使得太阳光的微弱压力也能推动航天器在宇宙中航行。

可以说，没有聚酰亚胺，就没有现代意义上的太阳帆，但却长期被美国杜邦、日本宇部兴产等企业垄断。没有条件就创造条件，于是我国科研团队另辟蹊径，研发聚酰亚胺/碳纳米管复合材料，不仅降低了薄膜厚度，还通过碳纳米管的加入使材料强度提升数倍。更重要的是，这种复合材料具有优异的导热性能，能有效分散激光或阳光照射产生的局部热量。

而要让这面巨大的光之帆在浩瀚太空中精准航行，还面临着一个关键挑战：姿态控制。在地面上放飞一只风筝尚且需要不断调整角度和方向，那么在太空中，在太阳光压的不均匀、宇宙尘埃的撞击、甚至航天器自身的振动下，如何精确控制一面超薄帆面呢？太阳帆的姿态直接决定了它能获得多少推力、飞向何方，可以说是差以毫厘，失之千里。消失在宇宙深处。

最直观的姿态控制思路是调整太阳帆的质心位置，这个好理解，就是通过移动平衡杆来保持稳定。控制杆法将有效载荷安装在可转动的杆端，通过改变杆的角度来移动整个系统的质心；控制小帆法在主帆边缘安装可独立转动的小帆片，就像船舵一样调整航向；移动倾斜帆面法通过改变帆膜的形状和角度来产生控制力矩；IKAROS任务首创的反射率控制法则利用液晶单元改变帆面不同区域的反射特性，无需任何机械运动就能实现姿态调整，方法各有千秋。

当在机械移动与光学调节间艰难取舍时，便不得不感叹天帆一号的独特设计智慧了。我们创新性地采用了柔性帆膜材料+可展开双稳态杆的技术路线，给太阳帆装上了智能骨架。天帆一号将柔性膜Z形折叠嵌入双稳态杆间隙，收拢时与桁架同步卷曲成紧凑圆柱体，展开时先是主骨架缓缓张开，建立起基本的支撑结构，随后帆面才在已经稳定的框架上徐徐展开。可展开双稳态杆技术有两个稳定状态：收拢时紧密卷曲，展开后则坚韧挺直。配合多帆桁同步展开机构，整个帆面能够均匀、同步地展开，避免了因局部展开不均而导致的撕裂或折叠。

从400年前开普勒的猜想，到今天各国竞相发展的太阳帆技术，人类驾驭光之风的梦想正在一步步成为现实，天帆一号虽为未来建造更大规模的太阳帆奠定了坚实基础。

参考文献

[1] 张峰,王二亮.太阳帆及其姿态控制方法综述[J].上海航天(中英文),2024,41(05):162-170.

[2] 刘金国, 赵鹏远, 吴晨晨, 秦栋, 陈科利. SIASAIL-Ⅰ太阳帆展开机构[J]. 机械工程学报, 2019, 55(21): 1-10.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨孙明轩 上海工程技术大学 教授

来源: 论文