太空开发最困难的是跨出第一步。如果我们能在太空建设完成一定量的基础设施，太空开发就会非常容易。太空基础设施主要包括运输，能源，采矿，工厂。其中运输是重中之重，开始最困难，以后却最容易。上一章我们讲了天机索。但是天机索也有一些问题。我们先讨论天机索的问题，然后介绍各种太阳帆方案。

天机索的问题

天机索需要精确对接，包括时间和空间。由于空间范围巨大，相对运动速度也能达到数公里每秒，所以精确对接有一定的挑战性。

天机索系统需要预先在各种转移轨道布置巨大的转运空间站，耗费大量物资。而且，在天机索建好之前，物资运输的成本非常高。所以天机索系统初始建设成本很高。

天机索的关键设备需要维护。其中绳索本身很长，比较脆弱，应当在每次使用之前检修。对于几十到上百公里长的绳索，检修一次需要较长的时间，

一般情况下，如果不能理想双向转运，天机索空间站每次需要为货物提供的额外能量和动量。这就需要另外耗费能量和工质，对空间站进行能量动量补偿。补偿仍然需要花费较大的成本。虽然能量和物资都可以在太空提供。但至少需要腾出补偿的时间，也需要较大的能源供应。由于天机索经常承受较大的加速度，对机械强度和稳定性的要求高，大面积太阳能板接入有困难，能量来源的问题需要想办法解决。

光帆

也叫做太阳帆（Solar Sail, Light Sail）。阳光照射在物体上，或者被反射，会给物体一个小的推力，叫光压，可以用来推进航天器。

在地球轨道附近，太阳光的强度为每平方米1360瓦，一块垂直于太阳光方向全反射的镜子，受到的光压是9微帕斯卡，也就是每平方米9微牛顿，一平方公里就是9牛顿。

在太空中，可以使用非常轻薄的反光材料，即光帆本身的质量可以很小，比如每平方米几克，那么一平方公里就是几吨。当然也不能太薄，太薄就对光透明了，也容易破裂。

假定1平方公里的太阳帆自重3吨，垂直于太阳光方向，光压是9牛顿，加速度3毫米每秒平方。如果加速一个月，以30天计，速度可以提高0.003*86400*30=7776米/秒。这是一个很大的速度增量。

当然，我们还要考虑支撑结构的重量，和携带货物的重量。如果加在一起是30吨，那么一个月的速度增量是778米每秒。考虑到星际运输的时间一般是几个月到几年，这样的速度增量已经非常可观了。我们也可以使用更大的光帆，从而大大节省星际运输的时间，或者运输更重的货物。

光帆受到的光压，与光帆与太阳距离的平方成反比。离太阳越远，太阳光越弱，光压越小，驱动也越小。但是一般加速的时间也越长，所以光帆仍然大有用武之地。

光帆提供的驱动只能远离太阳方向，看起来似乎只能用来探索地球以外的行星，比如火星，木星，土星等。但是，航天器往靠近太阳的方向运动，都需要减速才能被内行星俘获，太阳帆也能提供减速所需要的推力。也就是说，太阳帆既能帮助航天器远离太阳，也能帮助接近太阳。

这样的话，我们只需要把货物发射到太空中，货物在太阳系里的运输就不需要花费额外的能量了。我们可以建设基于太阳帆的免费行星际运输系统。古代人类航海的时候，主要利用风帆的动力长途远航。进入太空时代，我们又要用不同的帆，帮助我们驶向远方。

一种太阳帆概念图（Wiki）

光帆和货物被加速，行进到外气态行星附近的时候，还可以利用外气态行星附近的稀薄大气或等离子体减速，从而被外行星俘获，然后在行星附近盘旋，掉头，收拢光帆，等待返向运输任务。

光帆的问题有，面积巨大，很难维持刚性，也很脆弱。如果利用旋转张开，收拢会有一定困难。而机械机构会比较重，绳索难以控制。这些问题都可以解决，无非是多花费一些材料，减小一些载重。

电帆

英文名Electric sail、Electric solar wind sail，简称E-Sail。

太阳一直都在向外抛射高速粒子流，也就是太阳风。太阳风的速度从几百公里每秒到上千公里每秒不等。当然，我们也可以利用太阳风帮助航天器在行星之间运输。利用太阳风的帆叫电帆。因为它必须充电，才能跟太阳风里的高速离子发生相互作用，产生动量交换，从太阳风中获取动量，即推力。

在地球轨道附近，太阳风的推力强度，也就是太阳风压，只有光压的1‰左右。但是电帆并不需要做成帆的样子，占据全部的面积，而只需要很多根导电的细丝。细丝可以很长，从几十公里到上百公里。细丝充电以后可以影响几十米范围内的太阳风。充电的办法是，在导线的任何位置，一般是帆的中心，向太空深处发射电子束，剩下的导体部分自然带正电，电势增高。电帆需要电子加速器。

电帆概念图（Wiki）

细丝对太阳风的影响能力取决于太阳风的粒子密度，细丝所充电压，以及电子加速器的电流强度。究竟能接受到多少太阳风的动量，取决于实验结果，计算并不可靠。但是我们可以做一个简单估计。太阳风等离子体的德拜长度在10米量级，考虑到持续的电流可以造成细丝附近正电荷富集，我们假定细丝能够影响50米范围的太阳风，左右就是100米。10公里长的细丝，影响范围是1平方公里。要达到1平方公里太阳光帆的驱动能力，需要1000平方公里，也就是500根20公里长的细丝。500根细丝是无法控制的，一般应该几十根，也就是不到1牛顿的推力。

与光帆相比，电帆更容易部署，重量也更轻，但是需要能源，究竟能得到多大的推力还不清楚。

电帆与光帆相比，还有一点不同。光压平方反比于到太阳的距离，非常稳定，但是太阳风很不稳定，而且无法预测，因此无法精确计算航天器的运行轨迹。这会是一个比较大的问题，因为太空飞行对轨迹的计划必须非常精确。

电帆随距离太阳的的增大，效率并不会平方反比降低。因为太阳风并不是按距离和面积扩散的，而且等离子密度下降了，德拜长度会增加，也就是影响的范围会增加，从而部分弥补密度降低带来的驱动效率下降。

高压电帆

我们曾经提出一种高压电帆方案，结构紧凑，不需要很大的尺寸，但是需要较高的电压和较大流强的电子加速器。工作原理是，太阳风的密度很低，一旦把较强电流的电子发射出去，航天器周围会积累较多正电荷，从而形成一个较大范围的正电区，破坏电中性，对太阳风中离子的影响范围超过德拜半径的限制。我们的计算表明，最终在航天器周围会得到一个接近库伦势，而不是德拜势的电势分布，从而大大扩展对周围等离子体的影响范围。为了降低电压需求，也就是发射出去电子的能量，我们可以尽量增大导体部分的半径。具体做法跟电帆差不多，放出很少几根不长的导电细丝，比如1公里左右。这是因为库伦势距离电荷中心距离越大，电势越低。或者说，同样多的电荷，导体的半径越大，导体边缘，也就是导体全部的电势越底，发射电子需要的能量就越低。

由于并不是中性等离子问题，计算很复杂，既有长程相互作用，又有网格划分范围变化太大等问题，不容易计算出推力大小。但是仍然可以做出估算。因为太阳风粒子密度低，容易产生较大范围的宏观带电区，几十千瓦的输入能量能够影响上百公里以内的太阳风，也就是数万平方公里面积，从而产生几十牛顿的推力。高压电帆的尺度只有公里量级，不需要脆弱、难以操作的材料。

高压电帆效率高于电帆，容易控制，驱动力可调，只要位于等离子流中，有能源驱动电子加速器，就可以充分利用周围等离子体的动量。

高压电帆比电帆消耗更多的能量。如果能量来源有保证，可以得到很大的推力。高压电帆同样可以用来加速或者减速，取决于当时环境中等离子体的动量是否有利。既可以利用太阳风加速，也可以利用环境等离子体减速。特别的是，到木星附近的运输，如果快速运输，需要在木星附近制动。木星有强大的磁场，俘获了很多带电粒子，密度较高，相对木星动量为零，可以被高压电帆用来制动。

以下内容不全，不知道为什么，改了几次都没有。全部内容可见：

《大航天》连写版

光电综合帆

太阳帆除了直接反射阳光，得到光压反推，还可以聚焦光能，在焦点处发电为电帆提供能源（即使光被太阳能板吸收了，也可以得到一半光压推力）。由于光帆面积很大，比如从1平方公里到

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