光帆航天器發展現狀及“突破攝星”計劃關鍵技術

李志杰 果琳麗 黃江川 張小琳 張柏楠

（1中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

（2北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

光帆航天器發展現狀及“突破攝星”計劃關鍵技術

李志杰1果琳麗1黃江川2張小琳2張柏楠1

（1中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

（2北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

光帆航天器可以借助太陽光，也可以從地基或空基能量站發出激光對其加速，與傳統的化學推進相比，光帆推進技術可以使航天器獲得較大的加速度，從而進行較遠空間目的地的探測活動。文章對國外光帆航天器的發展現狀及主要技術指標進行了調研，重點介紹了“突破攝星”計劃（Breakthrough Starshot）概況，并對其重要系統組成及計劃工程實施過程進行了詳細分析。最后對“突破攝星”計劃中可能涉及到的關鍵技術進行了梳理，包括地面大型激光陣列技術、芯片星器件集成技術、光帆輕質材料技術、光帆姿態控制技術以及深空激光通信技術。以上研究內容可為我國發展光帆航天器技術提供參考。

光帆；航天器；“突破攝星”計劃；關鍵技術

1 引言

進入21世紀以來，隨著各國深空探測活動范圍的擴大及探測活動的多樣化，航天器推進能量的需求成為限制深空探測任務距離的瓶頸，在現有研究的諸多新型推進方式中，光壓推進作為最實際且有效的方式之一，是深空探測研究的焦點［1－2］。太陽帆屬于光帆的一種，能夠利用太陽光壓作用于高反射的薄膜帆面從而產生持續的加速度，具有無須攜帶推進劑和有效負載大的特點，理論上可以實現太陽系的深空探測和星際航行任務，近年來得到了國際航天界廣泛關注［3－4］。歐洲開展太陽帆技術研制較早，于1999年便由多機構合作開發了小型太陽帆，并在地面進行了模擬展開試驗［5］；俄羅斯聯合美國于2001年7月和2005年6月嘗試發射宇宙－1（Cosmos－1）太陽帆并計劃在空間進行展開試驗，但發射均告失?。?］；日本于2010年5月利用H2－A火箭發射了伊卡洛斯（Ikaros）太陽帆，驗證了太陽帆在軌展開和關鍵技術［7－9］；美國分別于2008年8月利用獵鷹火箭發射了納帆－D（NanoSail－D）太陽帆和2015年5月利用宇宙神－V（Atlas－V）火箭發射了光帆－A（LightSail－A）太陽帆，并在NanoSail－D太陽帆基礎上提出了Sunjammer大型太陽帆計劃［10］。

2016年4月12日，著名天體物理學家史蒂芬·霍金在紐約發布微博，宣布將啟動“突破攝星”計劃（Breakthrough Starshot）［11］：建造利用激光進行推進的星際微型探測器，預計最快用20年抵達離地球最近的恒星系統——半人馬座－阿爾法星系。該計劃的核心內容包括地面激光推進裝置、微型芯片星和光帆，光帆利用太陽光和激光光壓在帆面上產生連續的加速度，可以帶動微型探測器進行星際間的探測，實現現代航天器無法到達的地方觀測星體，突破探索宇宙的視角和方法。

本文對國外光帆航天器的發展現狀進行了研究，重點對“突破攝星”計劃的重要系統組成及計劃實施過程進行了介紹，歸納梳理了其涉及到的關鍵技術，并給出我國發展光帆航天器進行未來深空探測活動的相關建議。

2 光帆航天器發展現狀

太陽帆概念的提出可以追溯到17世紀，德國的天文學家開普勒觀察到彗星拖著長長的尾巴，他認為這是“太陽微風”吹拂所致，并由此設想借助這一“太陽微風”來駕駛帆船遨游太空［12］。1873年，英國的麥克斯韋首次開展了表面反射太陽光子產生微小壓力的試驗，這與開普勒提出的“太陽微風”有著本質的區別，為現代太陽帆設計奠定了理論基礎［13］。

目前，開展太陽帆研究項目的機構主要有德國航空航天局（DLR）、歐洲航天局（ESA）、俄羅斯巴巴金空間研究中心、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、美國航空航天局（NASA）以及美國行星學會（TPS）等，但至今只有JAXA的Ikaros太陽帆、NASA的NanoSail－D和LightSail太陽帆成功進行了空間飛行試驗。

2.1 歐洲DLR－ESA太陽帆

早在1999年，ESA聯合DLR合作開發了20m× 20m的太陽帆模型，并成功進行了地面模擬展開實驗，2009年又進行了失重飛行中支撐架的模擬展開試驗［5］。如圖1所示，DLR－ESA太陽帆采用了4塊等腰直角三角形的聚合物薄膜和4根14m長的支撐架結構，主要用于對不同種類聚合物薄膜材料的驗證［5］。另外，DLR據此還規劃了50m×50m和100m×100m太陽帆的技術驗證項目，但因缺乏經費支持而進展緩慢［14］。

圖1 DLR－ESA太陽帆地面模擬展開實驗Fig.1 Ground expansion test of DLR－ESA solar sail

2.2 俄羅斯Cosmos－1太陽帆

2001年7月，俄羅斯聯合美國行星學會共同研制發射了Cosmos－1太陽帆航天器，用來在800km軌道以上高度的空間驗證如何通過太陽光的光壓作用改變航天器的軌道和速度，并控制其運動，這是世界上首次嘗試發射以太陽帆作為航天飛行動力裝置的航天器［6］。但由于在發射后期航天器未能成功與第三級火箭分離，首次發射的Cosmos－1最終墜毀；2005年6月，由于運載火箭發動機故障，第二顆Cosmos－1太陽帆航天器的發射也以失敗告終［6］。如圖2所示，Cosmos－1航天器質量約110kg，其太陽帆主體由8片14m長的三角形聚脂薄膜構成，一旦抵達軌道，壓縮空氣將被注入太陽帆的管道，并將太陽帆體呈花瓣狀伸展開，面積達600m2，太陽光隨即供給光帆提供動力。

圖2 Cosmos－1太陽帆展開示意Fig.2 Sketch of Cosmos－1solar sail deployment

2.3 日本Ikaros太陽帆

2010年5月，JAXA利用H－2A運載火箭在種子島航天中心成功發射Ikaros太陽帆航天器，在世界上首次實現太陽帆的在軌展開和運行［7－8，15］。Ikaros太陽帆航天器的總質量為307kg，太陽帆質量為16kg，薄膜厚度為7.5μm，利用航天器的自旋離心力展開后呈正四邊形，面積為200m2，如圖3所示。此次Ikaros太陽帆航天器的主要任務包括：①驗證太陽帆的自旋離心力展開技術；②利用太陽帆上薄膜太陽能電池發電；③利用定軌技術測試太陽輻射壓加速；④驗證太陽導航和巡航技術［16］。

圖3 Ikaros模塊分布及展開示意Fig.3 Module distribution and deployment sketch of Ikaros solar sail

2.4 美國NanoSail－D太陽帆

2008年8月，NASA馬歇爾航天中心與艾姆斯研究中心合作研發了NanoSail－D太陽帆航天器，并利用獵鷹－1火箭發射，但由于火箭箭體分離故障，發射遭遇失?。?0］。之后NASA于2010年11月通過衛星上裝載的彈射裝置，在近地軌道成功釋放第2顆NanoSail－D并完成了在軌展開，在地球軌道上進行了為期240天的測試［10］。如圖4所示，太陽帆展開后呈正四邊形，帆面展開面積為10m2，展開過程耗時5s。

圖4 NanoSail－D太陽帆展開示意Fig.4 Sketch of NanoSail－D solar sail

2.5 美國Sunjammer太陽帆

NASA于2011年9月啟動了Sunjammer太陽帆項目，旨在對NanoSail－D的規模和性能進行極大的改進，計劃于2015年1月利用獵鷹－9火箭發射并飛行300多萬千米［17］。但在經歷了4年的研制之后，NASA認為項目關鍵集成上存在較大問題，會大大增加整個項目的風險，于2014年10月宣布取消后續任務［18］。如圖5所示，Sunjammer太陽帆薄膜的厚度只有0.005mm，展開面積約為1200m2，為世界上目前設計的最大的太陽帆，但折疊之后的體積僅為0.5m3左右，質量約30kg。

圖5 Sunjammer巨型太陽帆展開示意Fig.5 Sketch of Sunjammer giant solar sail

2.6 美國LightSail－A太陽帆

2015年5月，美國NASA的LightSail－A太陽帆航天器隨美國空軍X－37B飛行器由Atlas－V火箭一同發射升空并順利進入軌道，用于驗證太陽帆在軌展開及控制技術［19］。航天器在發射兩天后出現故障，不再向地面發送數據，8天之后，LightSail－A與地球恢復聯系并向地球傳回太陽帆展開圖像，如圖6所示，證明此次技術驗證任務獲得成功，為NASA后續計劃開展的更加雄心勃勃的太陽帆后續任務奠定了基礎。LightSail－A太陽帆展開后呈邊長約5.6m的正四邊形，面積約為32m2，質量為4.93kg。

圖6 LightSail－A太陽帆展開示意及在軌圖像Fig.6 Sketch of LightSail－A deployment and image on orbit

3 “突破攝星”計劃概況

與前面所述太陽帆不同的是，“突破攝星”計劃中的光帆進行加速不是利用太陽光，而是利用地面大型激光陣列發射的激光。因此在計劃中，整個大系統主要包括地面激光推進裝置和光帆微型探測器。探測器將用20年左右的時間到達離地球4.37光年的半人馬座—阿爾法星系，并在那里拍攝照片和采集科學數據，通過激光通信把相關信息傳回地球。之所以把尋找宜居星球的目標定為半人馬座－阿爾法星系，是因為那里有可能存在類地行星。半人馬座－阿爾法星系是距離地球最近的恒星系，如果采用現有最快的航天器飛到那里也需花費3萬年時間［11］。

據“突破攝星”官方網站介紹，該項目將由NASA艾姆斯研究中心前主管皮特·沃登領導，目前已經獲得1億美元的研究經費，研究團隊和投資人當中包括不同領域的世界著名科學家和工程師，包括天體物理學家史蒂芬·霍金、俄羅斯互聯網投資公司（DST）總裁尤里·米爾納以及Facebook創始人馬克·扎克伯格等人［11］。

3.1 地基激光發射陣列

在未來超遠距離的空間探測任務中，其挑戰是當光帆探測器遠離太陽時，光輻射壓就變弱，前往星際空間的旅行就會受阻。對此，“突破攝星”計劃提出利用激光光壓推進來延長探測器航程的想法很有必要。在計劃中，大規模的地基激光推進裝置將由范圍幾千米的激光陣列組成（圖7），能夠發射強大能量的激光并將激光束聚焦在發射到太空中探測器的光帆上，為探測器助力推進，將其加速至光速的1/5。在“突破攝星”計劃中，激光推進裝置在每一個發射任務周期需要產生和存儲的能量大約相當于幾百萬千瓦時的電量。

圖7 “突破攝星”計劃中地基激光發射陣列設想Fig.7 Laser light arrays of Breakthrough Starshot project

3.2 光帆微型探測器

為了彌補星際航行中探測器由于各種因素的故障或損毀，“突破攝星”計劃每次任務將發射成千上萬個光帆微型探測器，這就對其質量、尺寸和成本提出了更高的要求。計劃中的光帆微型探測器主要包括微型芯片星和光帆，如圖8所示，尤里·米爾納所展示的芯片星約為一張普通郵票的大小，質量約幾克或幾十克，但集成了相機、光子推動器、能源、導航和通信等設備，屬于一種具有完整空間探測功能的微型航天器，其制造成本約為一部蘋果手機［11］；計劃中的光帆薄膜采用最先進的納米技術使其達到相當于只有幾百個原子的厚度。另外，與前述利用太陽光光壓驅動的光帆不同，激光束提供的光壓非常大，因此光帆的面積不需要很大，如圖9所示，設想中的正四邊形光帆展開邊長僅為數米，質量同樣也僅為幾克或幾十克。

圖8 “突破攝星”計劃芯片星展示Fig.8 Exhibition of starchip in Breakthrough Starshot project

圖9 “突破攝星”計劃光帆展開示意Fig.9 Sketch of solar sail deployment of Breakthrough Starshot project

3.3 計劃實施過程

“突破攝星”整個計劃的實施路線可以劃分為4個階段，具體如下（圖10）［11］。

（1）在地球上建立范圍為幾千米的大型激光發射陣列，為了提高激光的效能，需要將地點選在高海拔干燥的平坦區域，如圖10（a）所示。

（2）從地面發射“母星”飛到高緯度的近地軌道上，由于在星際航行中可能會遇到微流星或空間碎片而損失掉部分探測器，為了提供探測器冗余備份并提高任務成功率，“母星”內將搭載數千個光帆微型探測器。由于探測器的光帆面積不是很大，如果運載器的體積不受限制，可以采取將每個光帆探測器進行層疊的方式裝置在“母星”內，采取彈射或其它方式從“母星”體內發出，為了保證航向的正確，還需要對光帆的張開角度和方向進行調整，如圖10（b），（c），（d）所示。

（3）開啟地面激光陣列，采用自適應光學技術消除大氣層對激光光束的干擾，如圖10（e），（f）所示，把激光束聚焦在微型探測器的光帆上，在幾分鐘內將單個微型探測器加速到1/5光速。

（4）光帆微型探測器將花費20年的時間到達距離地球4.37光年之外的半人馬座－阿爾法星，利用微型探測器上的激光通信系統將拍攝到的行星圖像和其它科學數據傳回地球，并利用發射探測器所用的激光陣列作為數據接收裝置。

圖10 “突破攝星”計劃實施過程Fig.10 Execution process of Breakthrough Starshot project

4 “突破攝星”計劃關鍵技術

從“突破攝星”計劃實施過程可以看出，這一方案在理論上是完全可行的，但目前在工程實施上還存在一些關鍵技術需要突破，如地基建設大型激光陣列和激光發射涉及到的相關技術、微型芯片星器件集成技術、光帆輕質材料技術、光帆姿態控制技術及深空激光通信技術等。

4.1 地面大型激光陣列技術

“突破攝星”計劃中提出的在地面高緯度地區放置范圍幾千千米的激光陣列，通過激光給光帆微型探測器加速至1/5光速，屬于一種空間定向能推進技術。定向能推進是指從地基或空基能量站發出的激光或微波能射向探測器并對其加速，同傳統的化學推進相比，定向能推進可使光帆探測器獲得較大的加速度。這項技術的遠期目標是從地面發射激光使得探測器實現軌道轉移任務，面臨的技術挑戰包括帶有自適應實時光學追蹤的大型地面或空間能量源、陶瓷復合材料以及冷卻和光學技術等，目前國際上這項技術的技術成熟度為2，即形成潛在應用和初步的技術單元概念，但尚未到驗證的階段［20］。

4.2 芯片星器件集成技術

在“突破攝星”計劃中提到的芯片星具有集成度很高質量很輕的特點，因此，芯片星的加工制造必須依靠微型器件集成技術的發展［11］，具體包括微機電系統（MEMS）技術和系統集成芯片（SOC）技術。

MEMS技術是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的，沿著系統及產品小型化、智能化、集成化的發展方向，如圖11所示，可以用來批量制作集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統［21］。目前應用于航天領域的典型MEMS系統平均無故障工作時間（MTBF）可達30萬小時。以碳化硅為代表的可在高溫環境下工作的壓力傳感器及高精度光纖傳感器是目前MEMS技術在航天領域的研究熱點。隨著新型納米材料制備工藝的進步及MEMS技術應用范圍的不斷擴展，具有更小尺寸的納機電系統（NEMS）將是MEMS技術的未來發展方向。

圖11 微型機電系統示意Fig.11 Sketch of microelectronic mechanical system

SOC本身屬于一個微電子小型系統，是電子信息系統的集成，它是把模型算法、芯片結構、各層次電路甚至器件的設計緊密趨勢與展望結合起來考慮，在單個芯片上一次性地實現整個計算機系統的功能。由于SOC技術能夠滿足航天電子要求的集成化、小型化、高性能、低功耗要求，目前SOC技術已經廣泛應用于航天電子系統［22］。近些年來，NASA在這個領域的研究重點就是SOC技術的星上應用，所涉及的SOC技術從2008年至今已經在陸續發射的航天器上進行了實際使用和測試，從而進一步驗證了SOC技術對于星載電子設備小型化的可行性。

4.3 光帆輕質材料技術

光帆薄膜材料對光帆探測器總質量起著決定性的因素作用，并對光帆性能產生重大影響。用來制作光帆的材料要求具有質量輕、反射性能好、耐高溫和抗老化等特性，能夠使光帆探測器在空間中長時間地飛行，目前主要有鍍鋁的聚酯薄膜、有孔的薄鋁網、鍍鋁的聚酰亞銨薄膜和鍍鋁的CP－l膜等，最常用的是鍍鋁的聚酰亞胺薄膜［23］。國外目前在研的新型光帆材料包括美國馬歇爾航天飛行中心研制的一種堅固而輕質的碳素纖維材料，碳素纖維上面的數千個小孔使其質量基本與正在接受測試的最薄光帆的質量相當。

此外，在《2015年NASA一體化技術路線圖》報告中指出，美國在納米材料和納米制造方面的最新進展可有效減輕光帆質量并提高耐久性和性能［20］。通過使用納米級材料添加劑（如碳納米管、粘土或石墨烯）可以改善光帆的強度和對空間環境的耐受性（原子氧、輻射等）。如靜電紡絲，目前已被證實可以結合自適應納米復合材料用來生產具有超輕膜的低密度納米級纖維氈，以取代光帆所用的傳統聚合物膜，這項技術有望在未來5年內達到成熟階段［20］。

4.4 光帆姿態控制技術

光帆探測器的軌道控制從本質上來說是對光帆的姿態控制［24］。這是由其推進原理決定的：光帆所受的光壓壓力方向始終垂直于帆面，即推進矢量方向與帆面法線方向一致（定義帆面法線方向指向帆的背光面），控制帆面法線的方向即可實現對推進矢量方向的控制。另外，光壓壓力的大小與光帆的姿態也有直接的關系。因此，控制光帆的姿態就能夠實現對其軌道的控制。光帆的姿態穩定控制有自旋穩定和三軸穩定兩種方式［25－26］，自旋穩定適用于較為簡單的軌道任務，光帆指向變化不能很頻繁，帆的形狀多為圓形和直升機翼形，如圖12（a），（b）所示；三軸穩定多用于正方形帆，如圖12（c）所示，可以實現較為復雜的軌道任務，對光指向變化沒有特殊要求，但是控制方法較為復雜，目前國際上對此類光帆采取的姿態控制方法都是利用其自身特點，由光壓力來產生沿某個軸向的力矩，進而實現三軸穩定控制［27］。按照控制原理可分為三類：質心偏移法（如帆面伸展臂上采用質心控制滑塊設計）、帆面轉動法（如采用滾轉軸穩定機設計）、改變帆面的反射率（如3（a）所示的Ikaros太陽帆植入液晶板設計）。

圖12 光帆探測器的幾種構型Fig.12 Various configurations of light sail spacecraft

4.5 深空激光通信技術

在“突破攝星”計劃中，光帆微型探測器在抵達半人馬座－阿爾法星后需要將數據傳回地球，由于距離超遠且探測器體積受限，傳統無線電波的通信體制顯然已經不再適用。而激光通信具有通信速率高、信息容量大、體積小、功耗低等突出特點，有望解決該計劃中的深空通信問題。從NASA在20世紀80年代初期提出用激光進行深空通信的設想到現在已經經過了30多年的發展，系統中的諸多關鍵技術已經取得了突破。目前，國際上已經成功開展了多個鏈路的演示驗證，但是與實際工程應用尚有距離。一方面是工程性、成熟度、可靠性還需要進一步提高，另一方面是其通信速率尚沒有充分發揮激光通信的技術優勢［28］。

5 結束語

作為一種利用光壓獲得動力進行宇宙航行的新型飛行器，光帆航天器已經被認為是未來星際航行的新希望，而國外對光帆推進技術的研究，也正由大量的理論分析和論證迅速轉化為工程化實施。“突破攝星”計劃提出了一種利用光帆微型探測器探索4.37光年以外目的地的新構想，該項目面臨的挑戰和技術難度較大，但在理論上可實現。本文對國外重點光帆航天器項目和“突破攝星”計劃作了具體介紹和分析，對我國開展相關光帆航天器研究和設計具有重要的借鑒意義，為此，提出建議如下。

（1）與國外相比，我國在光帆推進技術領域的研究還存在一定的差距，為確保我國在近期和中遠期的空間利益，應盡早從光帆材料、微型芯片星和深空通信等技術著手，并規劃光帆航天器地面及在軌試驗驗證，從而掌握光帆航天器平臺系統建設的核心技術；

（2）以光帆航天器的創新發展為借鑒凝聚想象力，積極探索新方法新技術，以先進概念牽引未來航天科學與技術的發展，為我國未來的深空探測提供全新的航天器平臺和重要的技術支撐；

（3）對于未來深空探測領域的創新性項目，應加大公眾宣傳力度，整合國內外優勢資源并吸引投資，探討商業合作和國際合作的可能性。

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（編輯：張小琳）

Study on Development Status of Light Sail Spacecraft and Key Technologies of Breakthrough Starshot Project

LI Zhijie1GUO Linli1HUANG Jiangchuan2ZHANG Xiaolin2ZHANG Bainan1
（1Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Light sail spacecraft can be accelerated by sunlight or laser light beamed from ground base or space base.Compared with traditional chemical propulsion，a spacecraft can have huge acceleration by using light sail propulsion technology，thus can achieve to a further destination to carry out exploration activities.This paper studies the development and technical specifications of foreign light sail spacecraft，focusing on the description of Breakthrough Starshot project，with an analysis of significant components of system and implementation process.The key technologies of Breakthrough Starshot project to be solved are also discussed in this paper，such as ground－base arrays of lasers technology，microelectronic components integration technology of starchip，lightweight sail material technology，attitude control technology and deep－space laser communication technology of light sail spacecraft.The research contents mentioned above provide a reference for the future development of light sail spacecraft in our country.

light sail；spacecraft；Breakthrough Starshot project；key technology

V423.9

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.018

2016－06－06；

2016－08－02

李志杰，男，博士，工程師，研究方向為航天器系統工程總體設計。Email：jesselzj@126.com。