11-答太阳帆船如何减速？

我的科幻广播剧《太阳帆》播出后，收到的最多的问题就是“太阳帆船”到底如何减速呢？在广播剧中，孙教授只是简单说了一句与海上帆船的原理差不多，没有做更多的解释。实际上，在我写小说的第一版中，我是给减速的原理做了大量的解释，但是最后我又删除了。因为毕竟这还是一个科幻小说，不是科普文章，这样大段大段的技术阐述会大大降低广播剧的节奏感，肯定会丢失很多听众，毕竟，真正关心这种技术细节的听众还是少之又少的。所以我最后决定删除，一笔带过。但是在我的听众中，对此好奇的人真的不少，很多人都来私信质疑太阳帆船能够在太空中不借助燃料减速。那么，今天这期问答，我就来详细说说这个问题。在解释这个问题之前，我们要先建立一个基本概念，任何在太阳系中飞行的物体，都会受到太阳的引力牵引，因此，只要物体的飞行速度不超过第三宇宙速度，那么，这个物体的飞行路线最终一定是围绕着太阳的一个闭合的椭圆形，你可以想象成一个长周期彗星的轨道。好了，有了这个基本概念后，你就会理解，太阳帆船在飞向火星的过程中，它走的飞行路线可不是像太阳射出来的光线那样，直指火星。而像是太阳甩出来的一根抛物线逐渐远离太阳，和阳光的方向始终有一个夹角。现在，我们假设有一艘太阳帆船是沿着这样一条路线飞行，你可以点开本期文稿，看一下示意图：我们姑且把沿着这条路线飞行的太阳帆船称之为沿着“西北”方向飞，这没毛病吧？在宇宙空间中，方向都是对称的，没有什么方向是特殊的，这也好理解吧。那么，现在我们假设有另外一艘太阳帆船是沿着“东北”方向飞的，我也画了一张示意图：这是不是也没有毛病，你总不至于认为太阳帆船只能沿着某一个固定的方向飞吧。好了，下面就是关键点了，请你想象一下，有一艘向着“西北”方向飞的太阳帆船，它把太阳帆与太阳的相对角度调节到与向着“东北”方向飞的那艘太阳帆船一致，会发生什么情况？我也画了一张示意图，帮助你理解，可以点开本期文稿查看：这时候，这艘太阳帆船的速度方向依然是“西北”，但是加速度的方向却逆转成了“东北”，所以，对于这艘太阳帆船来说，实际的效果就是减速。速度和加速度都是一种矢量单位，它们都是有方向的。有些同学在一开始思考这个问题的时候，容易掉进一个很麻烦的坑，就是去画太阳帆的受力方向和运动方向，这当然最终也能得出正确的结论，但是过程会很绕，一不小心就掉进坑里出不来。而用我上面这个思路，你不要去考虑太阳帆朝向哪里，你只思考比这个更基本的原理，这样就容易理解多了。还有一位听众想不通另外一个问题，太阳帆船在太空中飞行的时候，它的动能是始终在增加的，这没有错。如果减速，就意味着动能减少了，那么根据能量守恒定律，这部分动能必定要转移到其他物质上。如果是一艘有燃料的工质飞船，很好理解，飞船的动能转移到了喷射出的工质上了。但是，太阳帆船这些减少的动能跑到哪里去了呢？答案是动能转移到太阳风了，准确地说是转移到太阳吹出来的那些有质量的粒子上去了。另外，我这里需要特别说明的是，太阳帆实际上一个比较模糊的统称，如果按照工作原理来分的话，其实应该分成三种。第一种叫光子帆，它利用光压来驱动；第二种叫电动帆，是利用太阳风中不带电的质子流来驱动；第三种叫做磁化帆，它利用太阳风中的带电粒子流来驱动。这三种帆的工作原理是不同的，能够从太阳光或者风中获得的推力也是不同的。我的这篇小说有意模糊了太阳帆的概念，我隐含的意思是，小说中的太阳帆船可以同时利用这三种效应来驱动，这也是为什么太阳耀斑爆发可以让印度队获得额外动力的原因。当然，现实世界中，不管是日本还是美国的太阳帆实验，都是只能采用其中某一种驱动方式，无法实现混合动力。但科幻嘛，就可以想象的大胆一点了。世界上第一艘成功发射的太阳帆船是日本在 2010 年 5 月发射的伊卡洛斯号（Ikaros），这是一艘光子帆飞船，帆的面积是 200 平方米，飞行速度到达了 100米/秒，也就是时速 360 公里，跟高铁差不多。美国宇航局也在 2010 年底试验了一种太阳帆，代号是纳米帆-D（NanoSail-D）,这个帆就更小了，面积只有大约10平方米，携带的航天器重量大约4千克，是在地球近地轨道上测试的。当时，美国宇航局为了引起公众的注意，还特地举办了一次摄影比赛，奖金 500 美元，鼓励大家在地面上拍摄近地轨道上展开的太阳帆。我给广播剧下集的封面用的就是这张太阳帆的设计图。不知道大家能不能从小说中推算出来我给这次比赛设定的大致时间，其实，我在写这篇小说的背景设定时，我设定的比赛时间是 2049 年，也就是中华人民共和国成立 100 周年的时候，所以，我必须让中国队赢啊。在做今天的这期节目之前，大家在广播剧下面的留言我全部都浏览了一遍。我捡几个有代表性的留言谈谈我作为作者的一些想法。很多人都提到了这篇小说听上去有点主旋律、正能量，似乎有点那种厉害了我的国的味道，这种感觉好像也引起了一些人的不悦。这我完全可以理解，因为我本人其实也比较反感大跃进和放卫星的，有时候看到官媒过分夸大我国的科技成就，也会起些鸡皮疙瘩，因为有科学精神的人都是有求真精神的人，喜欢实事求是。但是，大家别忘了，我这篇小说是一篇科幻小说，描写的是未来的事情，科幻小说只是在展现未来的某种可能性。回想一下 30 年前的中国，我们为什么不敢想 30 年后的中国能够成为科技第一强国呢？换句话说，这篇科幻小说只是代表了我个人的一种美好愿望，并不是在吹捧我国现在的科技实力。还有好几个留言都谈到了最后的着陆似乎不太可能，或者说缺少一些细节。这里我补充一下，在我写第一稿的时候，我在太阳帆折叠以及二次展开方面是花了不少笔墨的。在我的设想中是这样，太阳帆先是收缩折叠成一个圆锥形，就像蚕茧一样包裹住太空船，大头朝着火星，可以绝热，也可以起到部分减速的功能。到了火星上空 2 万米的时候，太阳帆以非常快的速度再次展开成降落伞的形状。我先是把这部分解说放在了孙教授的台词中，但又觉得实在太啰嗦，就又改为了旁白。但是，左看右看，还是觉得这个地方如果出旁白，势必要渐弱背景音乐的音量，这就会让那种高潮的感觉降低，有让听众出戏的风险。因此，最后权衡利弊，还是删除了这块的细节描写，就逼着五月用音效来帮我搞定。最后这段高潮，五月快被我折磨死了，让他一遍一遍地修改，bgm 不知道换了多少首。最后的效果我还是很满意的，很有画面感，我自己听了不下 10 遍，还没听腻呢。顺便说一句，五月的那种执着精神真的也是没谁了，为了给加布洛夫和日尔科夫穿宇航服、减压、打开舱门、出舱这几个动作找合适的音效，五月说单单是一个减压的音效他就找了 3 个小时，才终于找到一个合适的。我记得上一部戏，五月为了一个摔杯子的音效，自己真的摔了三个玻璃杯才满意。还有一位听众说这部小说中，中国不遵守传统规则，重新解释规则，还让原本的规则没得说，这个世界观不高级。对此，我是不太同意这个观点的，首先，小说中至少有两次明确提到，大赛的规则定的是飞船与火星的距离保持恒定算做抵达终点。这个规则用这么绕口的方式来制定，本身就已经说明了，规则的制定者相当于是明确告诉了所有参赛国家，要么泊入火星轨道，要么就着陆，这根本就不存在别人想不到，就中国人想得到的问题，这又不是什么很绕弯子的事情，太容易想到了。在小说中，印度队的阿米尔不暇思索地就说：难