编者按：哥伦布发现新大陆是500年的事，但星空面前，人类的大航海时代刚刚开始。为了冲出太阳系，大刘在《三体》里设计了4种航船：辐射帆飞船，核动力飞船，反物质飞船和曲率驱动飞船。人类命运被这些飞船点燃、推进，不过，其中有一艘特别让人担心。
一面薄帆，几根帆索和一架座舱，运送云天明大脑的帆飞船就像一架低配版黑珍珠号，没有能干的杰克船长，现实中这么做靠谱吗？航空航天专家、未来局交通处处长赵洋老师在他的《太空将来时》中，结合历史上科学家和科幻作家对帆船的痴迷，对这份“脑花快递”的安全程度进行了一番评估。
*本文节选自《太空将来时》，经作者同意进行转载
在《三体III》的“阶梯计划”中，人类举全球之力，发射了一艘辐射帆飞船，它先后承受了上千次核爆的力量，将云天明推往三体舰队的方向。辐射帆这个概念绝非空穴来风，其身世最早可追溯至科学革命时期。
从太阳帆到光帆
四百年前，开普勒就曾经提出利用帆船来探索星空的设想。他猜测彗星尾部会受到某种微弱“太阳风”的吹拂，于是设想可以利用这种风来推进带帆的飞行器，就像海风推动帆船一样。尽管开普勒关于太阳风的解释后来被证实是错误的，但后世的科学家们却由此受到启发，发现太阳光确实可以施加足够的作用力来移动物体。
太阳光的力量十分微弱，在地球轨道上，每平方公里表面接受的太阳光压才有4.55牛顿，也就是一个苹果的重量而已。虽然力量微弱，但太阳帆提供的推力贵在持久。只要有阳光照耀，它就可以一直工作，在太阳光的压力下缓慢加速，并通过调整帆面相对太阳的角度来控制速度及方向。日复一日，年复一年，太阳帆总有一天会达到惊人的高速度。
这一天也并不遥远，假如有一艘帆面7万平方米的太阳帆飞船，飞船质量是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，等到抵达火星轨道时，时间才过去284天。算下来这个速度比许多化学火箭还要快。
太阳帆飞船已不再是停留在蓝图上的构想，不少国家都在进行太阳帆飞船试验。在《三体》故事中，程心提出阶梯计划构想后，行星防御理事会战略情报局（PIA）的专家展开了热烈的讨论。一位曾主持“那次”失败的太阳帆试验的俄罗斯专家指出：“辐射帆可以做得很薄很轻，按现有的材料技术，五十平方公里的面积可控制在五十公斤左右，这么大应该够了。”（《三体III》144页）
“那次”失败的试验应该是指第一艘太阳帆飞船“宇宙1号”试验。“宇宙1号”由美国行星学会、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年联合建造而成，重50公斤，由8片长度为15米的三角形聚酯薄膜帆板组成花瓣形，帆板总面积600平方米。每张帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋还薄，但它们异常牢固，并且表面上涂满了高效反光物质。帆板与支撑杆的结构就像直升机旋翼一样，可以通过调整来改变飞船的飞行方向和速度。据计算，在阳光微弱的压力推动下，“宇宙1号”太阳帆将会以每秒1毫米的速度慢慢地加速移动。在帆面展开24小时后，太阳帆的速度将增至每小时100英里；到第100天时，它的速度将达到每小时1万英里。如果“宇宙1号”能持续飞行3年，速度会提升到每小时10万英里，这是任何人造飞行器都没有达到过的速度，相当于目前飞得最远的“旅行者号”探测器飞行速度的3倍。如果用“宇宙1号”来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里完成从地球到冥王星的旅程，而美国宇航局使用常规推进技术探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。
2005年6月21日，“宇宙1号”于从位于巴伦支海水下的俄罗斯核潜艇上通过“波浪”运载火箭发射升空。不幸的是，火箭在发射升空后83秒就与地面失去了联系。
到目前为止，最成功的太阳帆试验是日本2010年发射的“伊卡洛斯”号试验太阳帆。2011年1月，完全依靠太阳能驱动的“伊卡洛斯”已成功完成全部实验项目，包括利用阳光实现加速和改变轨道等。“伊卡洛斯”有一面对角线长度20米的方形帆，由聚酰亚胺树脂材料制成，厚度仅0.0075毫米。它在飞行中将不断旋转，依靠离心力使帆保持张力。
除了在太阳系内飞行，太阳帆还可以作为恒星际探测器。因为成本低、飞行速度快，它是在低技术条件下飞出太阳系、飞向恒星空间的首选航天器。1984年罗伯特-弗沃德做出的工程分析表明，进行长期太空飞行的最佳方法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，最大速度能达到光速的十分之一，飞抵半人马座α星（这正是《三体》中地球人的死敌——三体人的故乡）仅需40年或更少的时间。此时的光帆直径为3.6公里，帆面材料为纯铝镜面。[1]
虽然光帆面积庞大，帆面支撑等技术要求较高，但较其他形式的恒星际飞船而言，光帆仍是技术和经济上最容易实现的方案。据估算，如使用金属铍作为帆面材料时，上述飞行的耗电费用为66.3亿美元[2]。这只相当于阿波罗计划投资的1/4而已。因为地球大气会使激光衰减，理想的发射站应当位于月球等天体。如果未来能够开采月球上的He-3资源并实现受控核聚变，发自月球的激光就可以射向宇宙深处的一叶孤帆。届时，人类就真正地向深空跨出了一大步。
科幻中的帆飞船
1921年，俄国航天先驱齐奥尔科夫斯基提出了太阳帆的概念。1963年，阿瑟·克拉克出版了科幻小说《太阳帆船》（Sunjammer），在小说中，主人公驾驶太阳帆飞船参加了从地球到月球的飞行竞赛，其景象颇似当今流行的帆船比赛。克拉克的这个故事令太阳帆的概念深入人心。
进入21世纪，好莱坞科幻片《星球大战前传：克隆人的进攻》中，杜库伯爵乘坐一艘张着大帆的星际飞船离开吉奥诺西斯星球，从克隆战争的风暴中逃脱。他乘着这艘飞船来到柯洛桑星球废弃的郊外，会见了他的黑暗导师。这艘种子形的飞船外壳打开后可释放出精致的太阳帆。星际间的高能粒子风给太阳帆施加了强大的推进力，使太阳帆船能高速航行。影片导演乔治·卢卡斯将它命名为吉奥诺西斯太阳帆船，这种外形奇特的交通工具与片中杜库伯爵谜一般的性格正相符。
回到《三体》的世界，云天明乘坐的辐射帆是太阳帆/光帆的自然延续。可见光是电磁辐射的一种，辐射帆则特指使用其它种类辐射驱动的帆式飞船，包含这各种粒子和射线的核辐射自然可以驱动辐射帆。只是这种帆飞船目前还处于概念研究阶段。
小说里，为避免核爆辐射影响云天明的座舱，连接帆和座舱的帆索长达五百公里（《三体III》58页）。仔细分析我们会发现，如此长的帆索，弹性形变不可忽略。在脉冲式的核爆冲击作用下，帆体和座舱会在帆索张力的作用下围绕系统质心来回振动，飞行方向难以保持不说，甚至可能令飞船彻底损坏。大刘考虑到了这一点，他这样安排该飞船的命运：“在木星轨道附近，阶梯飞行器的一根帆索断裂，飞行器偏离了预定航线……迷失于茫茫太空中。”（《三体III》232页）
[1] Louis Friedman，Starsailing，John Wiley&Sons,Ins，ISBN 0-471-62593-0
[2] Geoffrey A. Landis，Small Laser-propelled Interstellar Probe，Paper IAA-95-IAA.4.1.102
这本书，大刘是这么推荐的：
“如果人类延续到万年以后，大概不会有哪个孩子傻乎乎地问：‘爷爷，第一个社会主义联盟是谁呀？’但肯定有孩子问：‘爷爷，是谁第一次把人送出地球？’”
“最近有人提出，IT技术的进步和普及造成了一种进步的假象，事实上，人类在除IT以外的其它技术领域，自上世纪六十年代以来并无太多突破性的进展。这种状况在航天领域尤其明显，在登月以后的这几十年，航天技术在包括推进系统在内的大部分基础技术方面都无重大突破，只是在原有的基础上修补完善。
《太空将来时》意识到了这一点，本书不仅介绍了航天事业现在是什么样子，更多地描述了它应该是什么样子和可能是什么样子，这使得本书与其它的航天科普著作相比站到了一个更高的视角上。这些对航天技术可能性的预测不是科学幻想，而是建立在坚实的科技基础上，甚至连拙作《三体》系列中那些空灵的宇航梦想，作者都给予了令人信服的科学解释。”
——刘慈欣
题图：Future Ramma
责编：船长
作者：赵洋，太空问题观察员，或然历史研究者，站在过去看未来。代表作有《<三体>航天考》、《太空将来时》、 《航天巴士》等。
▼ 点击图片，查看更多有趣内容 ▼
联系客服
