太陽帆航天器展開結構技術綜述*

霍 倩 饒 哲 周春燕

北京理工大學宇航學院飛行器結構動力學與控制實驗室，北京 100081

近年來，隨著各國深空探測活動范圍的擴大及探測活動的多樣化，早期的推力發動機的飛行時間、燃料和發射費用等問題制約了深空探測的發展。因此尋找一種低成本，且能夠使探測器獲得源源不斷的動力的方法，成為人們的夢想，太陽帆飛行器從理論上解決了這一問題。當太陽光子照射到帆面上時，會被反射回去，同時光子會對太陽帆產生反作用力[1]，這樣太陽帆便會有源源不斷的動力，理論上只要太陽帆的形狀和傾角合適，飛行器可以飛向太空中的任意一個位置,因此太陽帆飛行器使得低成本的深空探測成為可能。

1 可展開太陽帆的發展概況

在深空探測中，利用太陽帆作為航天器推進動力的基本思想由來已久。早在400多年前，著名的天文學家開普勒就曾經設想僅僅依靠太陽光就能使宇宙飛船在太空翱翔。但是直到1924年，才由俄羅斯的兩位科學家E.Tsiolkovsky 和 Tsander[2]明確提出了“用照射到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產生的推力獲得宇宙速度”。1973年，美國宇航局出資資助巴特爾實驗室開始進行太陽帆的初步研究。歐洲空間局和德國宇航研究院合作，于1999年12月研制出20m×20m的太陽帆的模型，并在地面上成功進行了展開試驗。1993年，俄羅斯在經過長期研究以及地面實驗之后，成功研制了直徑為20m的“Znanya-2號”空間反射鏡[3]，但是接下來試驗的直徑為25m的“Znanya-2.5號”的展開卻失敗了。

近年來，隨著人類對太空探測范圍的擴大，以及微電子技術及材料科學技術方面的發展，太陽帆飛行器成為深空探測的熱點。2001年美國行星協會發射了“宇宙1號”航天器[4]，這是世界上首次使用太陽帆作為動力裝置的航天飛行器，但是由于航天器沒有與第三級火箭分離，導致最終失敗。2005年美俄合作的新的“宇宙1號”太陽帆飛船耗資400萬美元，于2005年6月21日從一艘位于巴倫支海的俄羅斯潛艇K-496上發射，發射后與地球失去聯絡。行星協會在保持一陣沉默后也承認這次實驗未能成功將太空船送入軌道。2008年美國行星學會接手了NASA的 “NanoSail-D計劃”，并搭載“獵鷹號” (Falcon 1)發射，由于分離時出現故障，未能成功到達預定軌道。2009年， 美國行星協會啟動了“光帆計劃”，計劃在2010年發射“光帆1號”，目前具體發射日期還未確定。在2010年5月，日本宇航研究組織JAXA成功發射世界上第一艘太空帆船太陽帆飛船“伊卡洛斯”(Ikaros)號[5]，并在隨后的半年多時間成功完成包括利用太陽光實現加、減速和改變軌道等全部實驗項目。JAXA還透露，準備在2018年至2019年間發射前往木星的太空帆船。同時，美國也表示要再次發射太陽帆飛船。此外，歐空局也宣布了自己的相關計劃。可見太陽帆飛船的未來方興未艾。

我國在太陽帆飛行器深空探測研究方面起步較晚[6]?，F有北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、清華大學、中國科學院空間科學與應用研究中心等單位就太陽帆飛行器的軌道控制，姿態控制問題等展開了若干應用基礎研究[6-11]，但是對太陽帆這類大型空間結構進行自旋展開和試驗的研究目前尚未開展。

2 太陽帆展開方式的研究現狀

在太陽帆航天器的結構設計中，關鍵性的問題之一就是在太空中如何展開太陽帆的帆面。多年來，已經設計出多種不同形狀、結構和用途的太陽帆，按照帆面的展開方式主要分為2大類：1)由桅桿結構牽引帆面展開；2)利用離心力旋轉展開帆面。

2.1 由桅桿結構拉伸展開帆面

由不同的驅動方式可以把桅桿結構展開分為以下幾種：

1)充氣展開結構。目前此種展開方式廣泛應用于大型可展開結構中[12]。一般情況下，充氣結構在展開以后需要對表面的材料進行硬化處理來保持帆面展開后的位形[13-14]。但由于這種展開方式對充氣材料以及充氣后的硬化方式還不是很完善，所以充氣展開方式的發展受到了一定的限制[15-17]。

到目前為止，許多國家都已經對充氣展開結構做了大量工作，1996年5月美國宇航局成功進行了充氣天線軌道釋放實驗[18-19]。美俄合作研制的“宇宙一號”太陽帆[20]于2005年6月發射(如圖1所示)，但由于火箭推進器出現故障導致發射失敗。

圖1 宇宙一號太陽帆展開過程示意圖

2)機械展開結構[21]。這種展開方式常用于大口徑的環形天線的展開，已經有較成熟的技術。在這種結構中，桅桿是一個可展開的機械系統，在電機的帶動下，沿著支撐結構能夠帶動帆體到達指定的位置。

3)彈性展開結構。初始狀態下桅桿繞在中心鼓輪上，在彈性力的作用下，桅桿和太陽帆同時展開，但是這種展開方式的缺點是無法調整帆體最終的位形。

例如，美國空軍實驗室研究了利用彈性力展開小型太陽帆模型[22]，目的是為將來一些小衛星的姿態調整提供推進力。圖2(a)中初始狀態小型太陽帆的桅桿纏繞在中心鼓輪外側，展開過程中利用彈性力通過桅桿帶動薄膜展開，除了中心桅桿保持展開后的形狀外，在太陽帆的四周也有類似于桅桿的結構。該展開方式的優點是不需要人為加入驅動力，減少模型的復雜性。

圖2 利用彈性力展開示意

2.2 自旋展開結構

自旋展開技術的原理是由自旋所產生的離心力甩開折疊的薄膜，并保持展開后的位形。這種展開方式的優點是不需要額外的支撐結構來保持展開后的位形，進而減少了結構重量，降低展開能耗。因此這種方式在太陽帆航天器中得到了廣泛的應用。

上個世紀60年代Schuerch，Macneal，Hedgepeth等美國學者對自旋展開結構的探索[23-25]，基本屬于機構學的研究范疇。例如：Macneal和Hedgepeth仿照直升機懸翼系統提出了螺旋陀螺太陽帆概念，采用柔性可伸展的轉子葉片構成太陽帆[24-25]。此后美國航天界對大口徑拋物面反射望遠鏡(LOFT)的可行性研究促進了對結構自旋展開過程的研究。

1993年俄羅斯所研制的“Znamya 2號”[3]利用自旋展開技術在太空中展開，該太陽帆由8片扇面組成反射面，每個扇面的折疊方式如圖3(a)所示，8片扇面初始狀態下順序的纏繞在中心鼓輪外側，隨后在離心力的作用下，薄膜逐步展開。圖3(b)所示為帆面完全展開后的模型圖。

圖3 Znamya2號展開示意

2010年5月21日，日本宇航局成功發射了伊卡洛斯號太陽帆，隨后太陽帆在太空中成功展開。伊卡洛斯號擁有一面對角線長為20m的方形帆，由聚酰亞胺樹脂材料制成，柔韌性非常好，厚度僅為0.0075mm，相當于人類發絲的幾分之一。圖4所示為太陽帆在太空中展開過程模擬圖。首先在離心力的作用下，4根輻條繞著中心鼓輪展開，然后在輻條完全伸展開后，薄膜的帆面開始旋轉打開。

圖4 伊卡洛斯號太陽帆展開示意

通過已有的研究可以看出自旋展開和穩定技術具有以下優點[26]：1)自旋離心力可以提供結構的面內剛度，使結構可采用輕質柔性材料制成；2)采用相對簡單的控制方法即可以獲得穩定的展開；3)自旋展開控制可快可慢，從而適用于多種任務。

3 自旋展開結構中薄膜的折疊方式

在大型結構的空間自旋展開實驗中，不同的折疊方式決定了太陽帆的展開方式。薄膜的折疊方式是其關鍵問題之一。在已有的各國實驗研究中，有多種不同的折疊方式，例如Miura-Ori[27-28]法折疊、傾斜旋轉折疊法，以及伊卡洛斯號折疊法等(如圖5所示)。其中Miura-Ori 法折疊方式廣泛應用于二維展開方式太陽帆的折疊。Furuyad 等[29-31]提出太陽帆的傾斜旋轉折疊方法，并通過理論分析和實驗研究兩方面驗證了這種折疊方法的可行性。

(a) Miura-Ori 法折疊

(b) 傾斜旋轉折疊法

(c) 伊卡洛斯號折疊法圖5 幾種薄膜折疊方式

在太陽帆實驗中，選擇折疊方式主要從以下幾方面考慮：1)折疊方式對展開過程的影響，要使帆面的展開過程對飛船產生較小的沖擊作用；2)薄膜折疊時的形狀和體積，占用較小的存儲空間，減小飛船的體積，降低發射成本；3)對于大面積超輕薄膜折疊方式的可實現性。

由圖5可以看出，Miura-Ori 法折疊方式比較適合由桅桿拉伸展開的太陽帆，傾斜旋轉折疊方式與伊卡洛斯號折疊方式比較類似，但是傾斜折疊方式的折疊過程要更復雜一些，而且經過用紙張折疊試驗發現，傾斜旋轉折疊方式的展開過程速度較快，不易控制帆面的展開。因此，由以上分析可以得出，對于自旋展開結構“伊卡洛斯”號的折疊方式優于前兩種折疊方式。

4 薄膜材料的選擇

考慮到星際宇航的時間，太陽帆所使用的材料的面密度應該是在0.1～20g/m2范圍內。目前最薄的商業可用的聚酰亞胺薄膜厚度為7.5μm，面密度為11 g/m2。1998年，Gershman和Seybold 指出面密度為10 g/m2比較合適探測水星及其太陽與地球之間的行星。進行復雜的探測任務則需要面密度為3 g/m2在非開普勒軌道上運行。

為了實現太陽光子驅動，中心鼓輪、彈性輻條等機構和結構的重量必須超輕(例如NASA試圖達到輻條單位長度重量為60g/m，DLR擬采用厚度僅為0.01mm的碳纖維增強復合材料管)，因此太陽帆的實現技術上最大的挑戰是制造出厚度僅為幾個μm的薄膜材料而且要求彈性韌性好、按照預期設計在太空中展開，以及在展開過程中對太陽帆和探測器姿態實行有效的控制。

2010年5月日本宇航局發射“伊卡洛斯號”太陽帆，其帆面材料即厚度僅為0.0075mm的聚酰亞胺薄膜材料。這種大面積的超輕薄膜展開后只要表面足夠光滑平整，就能使太陽帆的動量達到最大化。

5 自旋展開結構地面實驗研究現狀

我國對太陽帆飛行器的研究起步較晚，現在已經開展若干應用基礎研究的太陽帆飛行器的軌道控制以及姿態控制，但是到目前為止還未見對太陽帆自旋展開結構進行地面實驗研究。對于自旋展開結構的地面實驗，可見日本宇航局在2009年用氣球實驗機構在高空展開大型的薄膜結構。

為了減小空氣阻力對薄膜展開機構的影響，氣球機構使自旋展開系統在高為40km的空中進行展開實驗(如圖6所示)。頂部的相機能夠拍攝整個薄膜的運動情況。

圖6 氣球實驗機構

在自旋展開結構地面試驗研究中，如何抵消重力和空氣阻力的作用，以及對實驗裝置的創新設計是我們所研究的關鍵問題。下一步將在真空艙中進行小型的帆面試驗，對理論模型中薄膜的纏繞預測和控制進行驗證，并根據試驗中所發現的新問題修正理論模型。另一方面，將對控制方法進行研究，對自旋展開過程進行閉環控制，抑制薄膜的面外運動，消除薄膜纏繞，使薄膜能夠平穩的展開。

6 結束語

隨著新世紀的到來，各國航天科技界日益關注對行星探測頗具前景的太陽帆航天器，國外已經對太陽帆技術進行深入的研究，美國、俄羅斯和日本等在相關的實驗驗證方面都已經取得了一定的進展，但國內只對太陽帆航天器的軌道控制、姿態控制等問題展開了一些應用基礎研究，而空間結構的自旋展開和控制是太陽帆等大型空間結構所涉及的關鍵問題之一，有待深入研究。

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