描述光的粒子性和波动性的公式（太阳帆光的驱动力）

5000多年前的古埃及，帆的发明彻底改变了航海史。帆船带来的动力革命使古代水手能够进行前所未有的长距离海上航行。在太空时代开始之后，人类再次诉诸“帆船”技术，而这次是为了进行轨道运动，甚至星际航行。

光子加速的基本原理

太阳帆（也称为光子帆）的原理是基于太阳光在太空中的传播。众所周知，光是由没有重量的光子组成。然而，当光子在空间中移动时，它们携带动量。当光线照射到太阳帆的反射表面时，这种光子能量会传递到太阳帆的反射表面。

虽然光子携带的能量相对较弱，但空间中真空阻力为零，因此即使是微弱的光子能量也可以为航天器提供所需的加速度矢量。除此之外，配备太阳帆的航天器的加速度将随着太阳光能量的叠加而不断增加。这意味着配备太阳帆的航天器使用完全可再生能源即可可以达到当今化学燃料火箭技术无法企及的速度。

值得注意的是，太阳帆不只是沿着一条直线移动，只是沿着阳光的路径。他们可以通过修改帆的角度或移动航天器质量的中心来改变航天器的方向。位于航天器上的主动姿态控制系统（ACS）负责这一过程，该系统有助于根据其轨道轨迹缓慢校正太阳帆的倾斜度。除ACS之外，如果太阳帆以旋转叶片的形式制造，则则通过叶片旋转改变太阳光入射角度，从而实现航天器受力方向的变化（例如实验模型Znamya-2）。

太阳帆的设计特点

太阳帆必须由超轻材料制成，以提高航天器的面质比。到目前为止，最好的解决方案是由聚酯薄膜（BoPET）和聚酰亚胺（PI）制成的太阳帆。在基础材料上涂覆通常由铝制成的反射涂层从而阻止光子穿透太阳帆，从而提供航天器加速度所需的能量。

太阳帆的另一个关键参数是反射涂层的大小和厚度。太阳帆的覆盖面积越小，达到星际航行速度所需的时间也就越长。面质比是太阳帆的最重要的参数为了实现太阳帆理想的面值比，工程师要么增加太阳帆面积，要么减轻航天器重量。

配备太阳帆的航天器的加速度还取决于太阳光发射的强度。在太阳系的内部边界（太阳到木星轨道），阳光将足以使飞行器在相对较短的时间内达到所需的加速度。然而，距离恒星越远，加速度的损失就越大。这个问题可以通过混合解决方案来解决，即通过激光装置产生强大的激光束并将其引导到帆的反射面。这种激光装置可以保证航天器在太阳辐射强度降低的情况下保持其航天器加速度，但是，目前这项技术仍然难以实施。这种激光装置可以大大扩大太阳帆的应用范围，甚至允许将来将带有太阳帆的航天器引导到离太阳最近的恒星光照范围。

从构思到第一次尝试实施

通过太阳光子能理移动航天器的概念最初是由约翰内斯·开普勒在1610年写给伽利略伽利莱的信中提出的。开普勒写信给他的同事，“提供适应天上微风的船只或帆，这样甚至会有一些人勇敢地面对这个空虚。”后来，詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）证明了光具有动量，可以通过他的方程对物体施加压力，他间接证实了未来太阳帆的可能性。

对太阳能航行可能性的第一次技术分析是由德国人乔治·赞德（Georg Zander）制定的。在他1925年题为“喷气推进飞行的问题：星际飞行”的著作中考虑了在技术上实现太阳帆的可能性，考虑使用超薄的镜子反射阳光获取加速度。

50多年前，人类开始第一次尝试在阳光的帮助下产生航天器动力的想法。1976年，美国喷气推进实验室（JPL）公司开始发展这个想法。JPL计划设计一个配备了850×850 m大小太阳帆的探测器，在1986年3月前往哈雷彗星并接近它，探测器拆除太阳帆，并使用喷气发动机降落在哈雷彗星上。

作为巨型太阳帆的替代品，JPL考虑了另一种选择——12叶片形状的太阳帆，被命名为heliogyro。太阳镜的12个叶片中的每一个都达到8米宽，6.2公里长。JPL开发的太阳帆的总反射覆盖面积为60万平方米。叶片的旋转每三分钟进行一次。JPL专家在1977年就确定了这个研究思路，之后开始了第一批工作原型的艰苦工作。不幸的是，当heliogyro的设计开始后，NASA开始遇到严重的资金问题，因此太阳帆被SEP火箭发动机取代，该发动机通过电惰性氙气的分离产生推力。即便于此，由于缺乏资金，NASA航天飞机与哈雷彗星的会面，并没有在约定的时间开始。因此，第一个由阳光驱动的原型航天器的梦想直到2010年才成真。

巨大的IKAROS和超轻的LightSail

太阳帆的第一个工作原型出现在日本。JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）负责其研制。该太阳帆安装在2010年5月在日本H-2火箭上发射的IKAROS航天器上。在星箭分离后，于当年6月14日成功展开了太阳帆。

IKAROS太阳帆厚度只有7.5μm，涂层由聚酰胺薄膜制成。为了释放其14x14m的太阳帆，IKAROS使用了创新的旋转技术，并以每分钟20-25转的速度，由于四个桁帆缓慢地释放太阳帆。在这个过程中，帆呈现出十字形，然后像风筝一样展开其反射网。到2010年7月，第一批光子开始到达太阳帆，使其逐渐获得加速度并达到1，410公里/小时的最高速度。

IKAROS太阳帆还有一组太阳能电池板来存储太阳能，以提供空间探测器的供电。日本专家在IKAROS任务期间进行了许多操作来控制航天器的方向。特别是，JAXA工程师发现，他们可以使用安装在太阳帆边缘的液晶面板系统来控制航天器的方向。

IKAROS太阳帆的第一项测试于2010年12月结束，标志着由阳光驱动的空间卫星和立方体卫星新时代的开始。另一个太阳帆的重大成功是由行星学会取得的，该学会发射了第一个配备太阳帆的立方体卫星（LightSail），在2015年发射入轨。

LightSail比IKAROS轻60倍（5公斤对315公斤），但它的太阳帆只比IKAROS小六倍。由于其质量低，LightSail的初始飞行速度仅为0.058mm/s²，但在一个多月太阳光的持续加速下，累积加速效应增加，使LightSail的飞行速度提高到549公里/小时。

2019年，行星学会重复了他们的实验，发射了第二个版本的太阳帆，名为LightSail-2。LightSail-2卫星于2019年6月25日作为STP-2计划的一部分使用SpaceX的猎鹰火箭发射入轨。7月23日，LightSail-2卫星成功展开其太阳帆，一天后星载监视相机中的第一批照片下传到地球。

LightSail-2除了卫星平台上的些许差异外几乎与LightSail-1相同。例如，LightSail-2轨道高度更高，且配备了一个惯性轮，这有助于LightSail-2绕其轴线进行90°转弯并完成旋转，以获得阳光的加速度，并绕地全书的增加而增加其轨道高度。此外，还改进了用于LightSail-2控制和空间定向的软件。

LightSail-1和LightSail-2的发射表明，仅利用太阳光操纵微型卫星轨道机动的可能性，而无需火箭发动机和推进剂。

太阳帆的优点、缺点和未来

太阳帆的主要优点是无需火箭推进系统及其燃料供应，从而提高卫星载荷比。驱动太阳帆的恒定光源的存在会产生持续驱动力，因此配备太阳帆的卫星可以到达传统火箭技术难以到达的轨道，这意味着航天器的应用范围将变的更广。

当然，太阳帆技术也有其缺点。主要的陷阱是太阳帆对空间碎片的高度脆弱性，这会损坏太阳帆的超薄反射膜。然而，即使在这种情况下，也存在工程解决方案，以最大限度地减少可能碰撞的不利影响。例如，大多数太阳帆都用碳纤维加固，这有助于在与太空碎片碰撞时保持超薄反射膜的完整性。

太阳帆技术的未来更像是科幻电影情节，但配备太阳帆的超快纳米卫星的发展却不是真实的。2016年，Breakthrough Initiatives group 宣布推出一个卫星计划，其主要目标是研究将一颗由太阳帆和激光系统驱动的1克纳米卫星发射到最近的恒星系统半人马星座阿尔法星，该系统将能够在远离太阳时保持其加速度。

假设配备这种动的纳米卫星将能够实现高达20%的光速（≈60 000公里/秒），那么在大约20年内就能到达离太阳最近的恒星（相比之下，这颗恒星距离太阳4.367光年，用今天的燃料动力发动机需要≈6300年才能达到它）。现在，这项工程任务看起来是巨大的，因为目前，带有太阳帆的航天器可以发展的最大速度是光速的0.05%（航天器重量为10公斤，总反射帆覆盖面积为1平方公里）。无论Breakthrough Initiatives group的计划是否能转化为现实，太阳帆已经催生了新一代火箭发动机的开发。它所基于的光子动量转移理论已经构成了正在开发的光子引擎运载火箭的基础。光速为人类提供了未来超快星际旅行的独特机会，或许太阳帆正是实现它的手段之一。

太阳帆的新技术动向——衍射太阳帆

现有的太阳帆均为反射太阳帆，但是反射太阳帆除上述所述外仍有几个缺点，由于太阳帆吸收光会造成温度逐渐升高，高温情况下可能会造成太阳帆结构破坏，从而影响其寿命。另一方面，在反射太阳帆中，入射光子到转换为垂直推力的效率非常低。此外，反射太阳帆对撞击光子只能有效使用一次。这些光子要么将动量传递到帆上，要么被反射回太空。因此，有消息证明，美国宇航局最近确认了200万美元的项目经费，以继续开发衍射太阳帆项目。

当光波通过开口或狭缝时，它们会扩散成不同的波长分量，。光的这种色散特性被定义为衍射。在光盘等有光泽的材料上可以看到的彩虹光谱是由于光衍射。

衍射太阳帆可以使用这种现象进行设计，其功能与反射太阳帆不同。由衍射光栅制成的帆，通常用于许多光学技术，取代了金属反射材料。光衍射理论由光栅方程描述，该方程将衍射角与波长的比值和光栅的间距联系起来。

与反射太阳帆不同，基于衍射光栅的太阳帆在垂直和平行方向上产生辐射压力。光栅设计和功能的技术进步使它们更加高效，并提供更多的控制。其中一个优点是能够电控制光栅的间距。这使他们能够操纵帆而不必倾斜帆面。

由于衍射光栅通过间距传输光子，因此材料本身吸收的光非常少。因此，在使用衍射帆时，反射太阳帆中通常遇到的加热效应在很大程度上得到了缓解。到达衍射帆的光子也可以重复使用。虽然光子动量的很大一部分被转移到光压力上，但其余的光可以通过太阳能电池转化为电能。二次光子也可以通过第二个光栅重定向，以产生更多的辐射压力。安装在太阳帆中的其它装置可以捕获空间中有用的研究数据，可以由太阳能电池中产生的电力提供动力。