很久以前，在人们考虑使用推进器进行太空探索之前，德国天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）——注意到太阳似乎吹拂着彗星的尾巴——就梦想着借助天体风进行航行。“为适应天体微风，请提供船舶或帆，” 他在1608年写信给伽利略·伽利莱，“总会有人勇于挑战这片虚空。”
四个世纪后，一艘众筹的航天器 LightSail 2，已成为最新实现这一梦想的载体。虽然太空里确实没有我们所熟知的风，但该飞船可以直接利用另一种力量：阳光的微弱推力，在绕地球轨道运行时调整其路径。行星学会（The Planetary Society），一家私营太空探索组织，牵头开发了这艘航天器，以证明光线撞击其闪亮帆面时产生的微小推力足以作为一种交通方式——这项技术有一天可能会开启新型太空任务，并为理解破坏性的太阳风暴提供关键见解。
经过近半年的试验，LightSail 2 团队已经学会了如何驾驶终极太阳能航天器。尽管它绕地球轨道运行的高度比国际空间站高数百英里，但地球大气层最稀薄的部分却延伸得更远，缓慢地将卫星拖向毁灭。虽然该飞行器未能足够稳定地克服这种空气阻力以脱离地球，但改进的操纵已显著减缓了飞行器的下沉速度，有时甚至使其逆转。
“我们有过几次能够增加轨道能量的时期，”普渡大学博士候选人、一篇 最近发表的论文 的合著者贾斯汀·曼塞尔（Justin Mansell）说道，该论文描述了该飞行器迄今为止的表现。“这证明了我们任务的成功。”
LightSail 2 并不是人类第一次成功利用阳光航行。那项荣誉属于 IKAROS，一艘大约 50 英尺 x 50 英尺的日本航天器，重达数百磅。2010年，在前往金星的途中，它在行星际空间中捕捉到了来自阳光的可测量推力。
LightSail 1 最终成为 2015 年安全进入太空的下一艘太阳帆。这艘测试飞行器成功实现了其主要目标——展开帆面，但由于无法控制其姿态，它很快就失控，重新落向地球，在大气层中烧毁。
行星学会希望，它的续集能够实现超过 50,000 名捐赠者——他们集体捐赠了 700 万美元来资助这两个原型机——的希望和梦想。去年六月，它搭乘 SpaceX 的猎鹰重型火箭，与二十多颗美国国防部的卫星一同进入了比其前身高近一倍、超过 400 英里的地球轨道。由于稀薄的空气和完善的控制系统，团队的目标是实现真正的、由太阳帆驱动的高度调节飞行。
但是，学习控制这艘飞行器并非一帆风顺。展开后，这片轻若鸿毛的帆（由一种名为 Mylar 的材料制成）足以覆盖一个拳击场，但所有的转向动力都来自固定在中间、面包盒大小的机体。LightSail 2 重仅 11 磅，但拥有迄今为止任何太阳帆中最好的重量与尺寸比和最快的加速度。然而，这种优势也使得它难以控制，正如任何水手都知道的那样，精准的控制对于到达目的地至关重要。“有些方面与驾驶帆船惊人地相似，”曼塞尔说，他于 2018 年获得了陆地船舶驾驶认证。
LightSail 2 在远离太阳时航行速度最快，因为太阳的光线将飞行器“向下风”推。在该轨道段，团队将其指向远离太阳的方向以获得最大的光照（想象一下在阵风中举雨伞最危险的姿势）。然而，在其一个半小时的轨道后半程，它会滑入地球的阴影——对于太阳帆来说，这是“无风区”。然后它会绕到另一边，逆着阳光压力“逆风”前进。在该轨道段，团队会尽量使帆的边缘朝向太阳，以减小推力。
为了转向，该飞行器有两个系统。其紧凑的机体带有一个小型“动量轮”，该轮在旋转时，会使飞行器向相反方向旋转。LightSail 2 还配备了两个电磁线圈，可以产生磁场。这些线圈可以与地球磁场相互作用，从而使操作员能够调整航天器的姿态。曼塞尔说，弄清楚如何最有效地转向是太阳帆学习曲线的大部分内容。
但在进行了五个月的练习和数据收集后，太阳水手们自信地认为，飞船的帆正帮助它保持在高空。在船员放开控制的时期，由于稀薄空气的阻力，飞行器会平均下降 113 英尺。然而，在主动航行时，LightSail 2 只会下降 65 英尺。在他们最棒的航行日，团队成功地将轨道升高了 24 英尺。曼塞尔说，由于这个空间区域的卫星信息稀少，团队最初不确定会获得什么样的性能，所以该航天器还兼作对远端大气厚度的探测器。
“尽管我们航行得相当好，但有些日子大气层比正常情况要稠密一些，”他说。“其他日子，在这个高度的大气层会稀薄一些，我们就更有可能提高轨道高度。”
为了定期提高轨道高度，团队成员估计 LightSail 2 需要从距地表至少 500 英里处开始。在其目前约 400 英里高空的位置，该飞行器注定将继续其下降螺旋，并最终在大气层中燃烧殆尽——可能在今年夏天。但在此之前，团队还有两个实验要进行。他们首先计划测试保持稳定航向的能力，让飞行器直接指向太阳。当 LightSail 2 真正开始快速下降时，他们将尝试通过改变其姿态来控制下降速度。
曼塞尔表示，行星学会目前没有 LightSail 3 的计划，但太阳帆的未来在于深空。太阳帆在远离地球的地方效果最好，那里没有大气痕迹可以减慢它们的速度，而且它们也不会不断地陷入阴影。NASA 计划最早在明年，在即将推出的太空发射系统（Space Launch System）的首次测试中发射一艘由光驱动的飞行器，LightSail 2 团队也提供了咨询。如其名称所示，近地小行星侦察器（Near-Earth Asteroid Scout） 将乘坐太阳帆飞往一颗近地小行星并对其进行侦察。
之后，太阳帆也可能实现新型任务。传统航天器使用推进器对其路径进行快速调整，但通常仍被限制在行星遵循的相同椭圆轨道上，正如约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）曾经发现的那样。太阳的引力控制着这些天体轨道，但加上阳光的持续推力，就可以实现所谓的“非开普勒轨道”。例如，可以将一艘太阳帆航天器无限期地平衡在地球和太阳之间的一个点上，该点超出了依赖推进器的飞行器所能达到的范围。如果配备了太阳监测仪器，这样的前哨站可以比当前天基太阳观测台 提前十几次 提供太阳风暴的预警。
曼塞尔表示，他对太阳帆的未来感到兴奋，并感谢能够参与这个为它取得进展做出贡献的团队。“能够成为一个对如此多人意义重大的任务的一部分，这真是一个了不起的机会。”
