中國太陽帆推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

楊文昊（四川大學(xué),成都610041）

中國太陽帆推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

楊文昊
（四川大學(xué),成都610041）

摘要：太陽帆推進(jìn)技術(shù)作為一種新型無需消耗化學(xué)燃料和工作介質(zhì)的航天器推進(jìn)技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)成為國內(nèi)外航空研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。本文樹立梳理了太陽帆推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程，結(jié)合近年來我國太陽帆推進(jìn)技術(shù)的成果與進(jìn)展，繼而提出我國未來太陽帆推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：太陽帆；航天器；推進(jìn)技術(shù)

1　引言

近年來,我國在航天航空事業(yè)當(dāng)中取得了驕人成績，“神舟”系列飛船獲得了令人矚目的成功。但需要意識(shí)到，航天器發(fā)射重量以及在軌工作壽命在一定程度制約了航天航空技術(shù)的發(fā)展。為避免依靠傳統(tǒng)燃料或者工作介質(zhì)推進(jìn)航天器,航空研究者們開始嘗試核燃料推進(jìn)器、電脈沖推進(jìn)技術(shù)等。其中太陽帆推進(jìn)技術(shù)能夠?qū)⑻柲苓@種清潔能源進(jìn)行利用，受到了很多航天研究者們追捧研究。其最大亮點(diǎn)是不依靠化學(xué)燃料和工作介質(zhì)，直接利用太陽光子在高反射薄膜表面反射產(chǎn)生推力。太陽帆可以替代現(xiàn)有航天器的推進(jìn)系統(tǒng)，利用太陽光壓持續(xù)加速，獲得數(shù)倍于傳統(tǒng)航天器的速度，對化學(xué)燃料的需求很低，且結(jié)構(gòu)簡潔輕便，發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)小,能夠?qū)崿F(xiàn)航天器的長距離空間飛行。太陽帆推進(jìn)技術(shù)對將來的太空任務(wù)更便宜和更有效具有極其重要的意義。

2　太陽帆推進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

早在1873年的時(shí)候，Maxwell就已經(jīng)提出了關(guān)于太陽光壓力模型，后來Wie、McInnes等學(xué)者都對太陽帆壓力模型進(jìn)行了研究。在上世紀(jì)九十年后，國內(nèi)外航天技術(shù)研究者開始逐漸對太陽帆推進(jìn)技術(shù)展開了多方面研究，并在太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究當(dāng)中獲取到一個(gè)不錯(cuò)成績。其太陽帆推進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀可以分為以下幾個(gè)階段：

Maxwell在研究太陽光壓力模型的時(shí)候，就提出了關(guān)于光的實(shí)質(zhì)為電磁波這一假說，并且也準(zhǔn)確了預(yù)言光照射到物質(zhì)表面的時(shí)候，能夠?qū)φ丈浔砻娈a(chǎn)生一個(gè)壓力作為。這為以后航天研究者研究太陽帆推進(jìn)技術(shù)的時(shí)候奠定了理論研究基礎(chǔ)。

為了能夠證實(shí)Maxwell的電磁理論所預(yù)言光壓現(xiàn)象，俄國物理學(xué)家彼得.列別捷夫通過一系列研究，用實(shí)驗(yàn)成功測出了光對固定以及氣體的壓力作用效果，從而也就證實(shí)了Maxwell的預(yù)言。

人類歷史上首次明確了太陽帆概念是由俄國科學(xué)家康奧爾.其奧爾科夫斯基和弗里德里希.燦德爾在1924年的時(shí)候提出的。他們認(rèn)為在航天器的推進(jìn)結(jié)構(gòu)當(dāng)中是可以用超薄型的金屬帆膜包裹在輕質(zhì)硬塑料骨架上。但從那之后，因?yàn)槿狈こ碳夹g(shù)方面的背景支持，所以太陽帆推進(jìn)技術(shù)曾一度被認(rèn)為“幻想中的宇航技術(shù)”，其研究一度停滯不前。不過在1998年之后，歐洲空間局、德國宇航研究院等航天研究機(jī)構(gòu)展開了關(guān)于太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究的合作，其在1999年12月的時(shí)候進(jìn)行了太陽帆模型地面展開實(shí)驗(yàn)，這也成為了人類成功研制的第一個(gè)實(shí)體的太陽帆模型。

近年來，NASA支持的太陽帆研究項(xiàng)目當(dāng)中在GSFC、JPL、LaRC、MSFC等項(xiàng)目研究當(dāng)中都是有所涉及到的。其中LaRC的研究工作主要是對太陽帆地面試驗(yàn)臺(tái)、剛性支撐試驗(yàn)、太陽帆材料的研發(fā)、超輕超薄航天器等方面進(jìn)行研究；其MSFC空間帆項(xiàng)目是對先進(jìn)空間運(yùn)輸計(jì)劃、MSFC內(nèi)部的研究工作等方面進(jìn)行研究；JPL太陽帆項(xiàng)目是對環(huán)形帆、旋轉(zhuǎn)太陽帆的研發(fā)、揮發(fā)性膜材料、帆體支撐架等方面進(jìn)行研究。

3　中國太陽帆推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢研究

通過對太陽帆推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，筆者認(rèn)為中國在太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究當(dāng)中需要注意到充分吸取國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，并結(jié)合先進(jìn)的理論知識(shí)與技術(shù)對太陽帆推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。因此筆者認(rèn)為我國在太陽帆推進(jìn)的開展當(dāng)中需要對帆體薄膜研究與工藝、太陽帆的控制方法、測量與試驗(yàn)技術(shù)、帆體的壓縮包裝與展開方案等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，這也將會(huì)是太陽帆推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

其超薄帆膜技術(shù)當(dāng)中需要對超輕太陽帆材料、薄膜的纖維增強(qiáng)技術(shù)、薄膜的激光減薄技術(shù)等方面展開研究；其帆體設(shè)計(jì)當(dāng)中目前比較流行采用的是四方型帆體設(shè)計(jì)，其能夠具有受理均勻、帆體變形小、展開方案靈活等優(yōu)點(diǎn)；超輕支撐結(jié)構(gòu)當(dāng)中主要對重量輕、強(qiáng)度高、彈性好的材料展開研究，而這材料也將會(huì)作為太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究當(dāng)中的重要研究內(nèi)容；當(dāng)然在對于帆體的壓縮包裝、輕量帆體結(jié)構(gòu)在空間的展開、太陽帆的控制、太陽帆計(jì)算模型等方面，其航天研究者在太陽帆推進(jìn)技術(shù)當(dāng)中都是有所進(jìn)行研究的。

當(dāng)然在對于太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究當(dāng)中，是需要對關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行突破，那么這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)太陽帆技術(shù)的工程化。筆者認(rèn)為在太陽帆推進(jìn)技術(shù)實(shí)施工程化當(dāng)中需要進(jìn)行如下的循序漸進(jìn)道路：

（1）考慮到先進(jìn)性和實(shí)用性，筆者認(rèn)為在太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究當(dāng)中是需要參考國際最流行的四方型基本布局。

（2）在太陽帆選型方案當(dāng)中首先就應(yīng)該需要在遠(yuǎn)離上解決太陽帆飛行器的軌道控制和姿態(tài)控制方案。

（3）需要對合適的帆體、支撐架材料進(jìn)行選擇，從而能夠降低太陽帆的制造成本。

（4）對最關(guān)鍵的展開方案及對應(yīng)的支撐架結(jié)構(gòu)和展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且需要充分的論證和試驗(yàn)。

4　總結(jié)

對于比傳統(tǒng)航天器的推進(jìn)技術(shù)，太陽帆推進(jìn)技術(shù)的研究還僅僅只是出于一個(gè)初步階段。隨著發(fā)達(dá)國家相繼成功發(fā)射了太陽帆航天器，其各國在太陽帆推進(jìn)技術(shù)當(dāng)中投入了比較多關(guān)注。中國對于太陽帆推進(jìn)技術(shù)研究也是在近幾年當(dāng)中有所收獲，不過也將面臨更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文主要是對太陽帆推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r以及研究現(xiàn)狀展開研究，希望通過這兩方面研究得出我國太陽帆推進(jìn)的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉彪，冀棉，張靜靜，高鴻，楊士勇.大型太陽帆材料研究進(jìn)展[C].中國宇航學(xué)會(huì)深空探測技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(下冊),2012.

[2]沈自才,張帆,趙春晴等.IKAROS太陽帆的關(guān)鍵技術(shù)分析與啟示[J].航天器工程,2012,21(02):101-107.

[3]杭觀榮，康小錄.美國AEHF軍事通信衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)及其在首發(fā)星上的應(yīng)用[J].火箭推進(jìn),2011,37(06):1-8.

[4]姜文龍，楊成虎，林慶國.高性能衛(wèi)星用490N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)研究進(jìn)展[J].火箭推進(jìn),2011,37(06):9-13.

[5]張敏貴等.太陽帆推進(jìn)[J].火箭推進(jìn),2005,31(03).

[6]Char lesGarner,etal.DevelopmentsandAct ivi t ies inSolarSailPropulsion[R].AIAA-2000-3858,36thAIAA/ ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit.

[7]DavidMMurphy,etal.Demonstrationofa10-mSolar Sai lSystem[R].AIAA-2004-1576,40thAIAA/ASME/SAE/ASEE JointPropulsionConference&Exhibit.

[8]襲勝平.太陽帆航天器動(dòng)力學(xué)與控制研究[D].北京:清華大學(xué),2009.

[9]榮思遠(yuǎn),劉家夫,崔乃剛.太陽帆航天器研究及其關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].上海航天,2011,28(02):53-62.