Question

人类多久能飞出太阳系？利用太阳帆飞船，飞出太阳系只需40年

Answer 1

用光能推动飞船在宇宙航行吗？

400年前，著名的天文学家开普勒曾经设想过一种航天器，它可以不携带任何能源，仅仅只依靠太阳光，就能遨游太空。

在我们现代人来看，这应该指的是太阳帆飞船，这是一种利用太阳光的光压进行宇宙航行的航天器，也是目前被认为是唯一一个可以搭载人类飞出太阳系的航天器。

长期以来，人类一直渴望找到一种新的动力方式，来摆脱对火箭的单一依赖，所以对太阳帆技术寄予了厚望，在小说《三体III》的阶梯计划中，就有人类举全球之力，发射了一艘太阳帆飞船，它先后承受了上千次核爆的力量，将云天明送往三体舰队的方向。

但是，太阳光真的能够产生压力，或者说推力吗？

关于光是否能产生压力的 探索 最早可以追溯到17世纪，在1619年，开普勒推测彗星之所以背向太阳延伸出一条长长的尾巴，就是因为太阳风在发挥作用，现在我们也知道了，事实确实如此。

所以开普勒的猜想可以说是第一个提出了光压，后来牛顿主张的光微粒说很自然地引进了光压的概念，但不久光波的概念就开始普及，光压也就失去了生存的空间。即使如此，仍旧有众多实验物理学家试图以实验证明光具有压力。

光其实是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动的方向，并给被撞击的物体相应的作用力，单个光子产生的推力很小，通常情况下人们难以察觉。

在正午阳光最强，而且直射地面的时候，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。

但在太空中，因为没有空气阻力，一点点轻微的推力，比如说太阳光的压力，就可以让物体加速，于是人们想到了帆。人类很早就学会了制造帆，利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补划桨力量的不足。

假设有一艘直径为300米，帆面面积达到7万平方米的太阳帆飞船，飞船的质量是500千克，那么它离开地球轨道时每秒的速度增加值是1毫米/秒，但日积月累，等它抵达火星轨道时，时间才过去284天，算下来，这个速度要比许多化学火箭的速度要快得多。

如果太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力将能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

显而易见，太阳帆成本低，飞行速度快，是在低技术条件下飞出太阳系、飞向恒星际空间的首选。

1984年，一个名叫罗伯特-弗沃德的物理学家做出过一个工程分析，他得出的结论是，要进行长期的太空飞行，最佳的方法就是向一个大型薄帆发射大功率激光，当激光帆采用整体式圆盘布局并搭载1吨的有效载荷时，最大的速度能达到光速的十分之一，飞抵半人马座α星只需要40年，甚至是更少的时间。

而如果用上人类现有的最快飞船，要想达到半人马座α星也要花上3万年。据估算，如果使用金属铍来作为帆面材料的话，太阳帆飞船飞抵半人马座α星的行程的耗电费用只有66.3亿美元，相当于阿波罗计划投资的1/4。

世界上第一艘太阳帆飞船是宇宙1号，它重50千克，是由8片长度为15米的三角形聚酯薄膜帆板组成的，每张帆板的厚度比普通塑料垃圾袋还薄，而且它们异常牢固，表面上涂满了高效反光物质，帆板的总面积达到600平方米。

据计算，在太阳光微弱的压力推动下，宇宙1号可以以每秒1毫米的速度慢慢加速移动，在帆面展开24小时后，速度可以增加到161公里/时，如果宇宙1号能持续飞行3年，那么它的速度可以提升到161000公里/时，不到5年的时间，宇宙1号就可以达到冥王星，但不幸的是，宇宙1号在发射升空后的83秒就与地面失去了联系。

到目前为止，世界上最成功的的太阳帆试验是2010年日本发射的伊卡洛斯号，伊卡洛斯号的帆厚约7.5微米，相当于头发丝直径的1/10左右。在火箭发射的时候，帆将会折叠起来，收藏在直径约1.6米的圆筒形机体外侧。它与日本的金星探测器“晓”号一同升空。

在离地球大约大约7.7 10的6次方公里的太空中，成功展开了太阳帆，根据计算，在半年内，伊卡洛斯号能够加速到每秒100米。目前，它还在宇宙中翱翔。

可以说，只要有阳光存在的地方，太阳帆飞船就可以不断地获得动力加速飞行，太阳帆代表了人类未来太空飞行的一种技术，伊卡洛斯号的成功试验也证明，人类未来是可以用太阳帆来从事深空 探索 。

但因为地球大气的存在，会使得激光衰减，更理想的发射点应该是月球这种几乎没有大气层阻碍的天体，如果未来能够开采月球上的He-3资源，并实现可控核聚变，那么，未来我们可能能见证从月球飞出的一叶孤帆，将飞出太阳系，带领人类在深空 探索 领域迈出一大步。