淺談利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆開展火星探測(cè)

孔偉 鄧宏輝 楊芳 周青軍

摘 要 太陽(yáng)能應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)階段，本文利用大學(xué)基本物理原理探討了利用太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)帆開展火星探測(cè)的可行性，給出了具體的計(jì)算過(guò)程。

關(guān)鍵詞 火星探測(cè) 光壓 霍曼軌道轉(zhuǎn)移

中圖分類號(hào)：V529.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1背景介紹

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆航天器是一種利用太陽(yáng)光壓進(jìn)行太空飛行的航天器。在飛行過(guò)程中，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆通過(guò)調(diào)整自己的姿態(tài)來(lái)改變航行軌跡。單個(gè)光子所產(chǎn)生的推力極其微小，在地球到太陽(yáng)的距離上，光在一平米帆面上產(chǎn)生的推力只有0.9達(dá)因，還不到一只螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從太陽(yáng)光中獲得加速度，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。假定太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆是由質(zhì)量為7克/米2的材料制成的，在當(dāng)太陽(yáng)光從太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆表面反射時(shí)，光所施加的壓力等于其能量密度的兩倍。假設(shè)帆是由質(zhì)量為7克/米2的材料制成的;一枚火箭將發(fā)射總重量為2，000千克（帆加載荷）的飛行以逃離地球。確定帆的大小和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆航天器從地球到火星的飛行計(jì)劃。假設(shè)地球和火星在發(fā)射的時(shí)候是最接近的，而且飛船和火星的相對(duì)速度必須不超過(guò)9公里/秒才能安全著陸。優(yōu)化飛行計(jì)劃以最大限度地提高有效載荷。當(dāng)?shù)厍蚝突鹦窃诎l(fā)射的時(shí)候是最接近的（地球處于遠(yuǎn)日點(diǎn)，火星處于近日點(diǎn)），可以確定發(fā)射時(shí)刻火星、地球、太陽(yáng)三者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與位置，以此時(shí)刻、此位置作為模型的初始時(shí)刻和初始位置。當(dāng)火箭將太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆航天器發(fā)射以逃離地球，此時(shí)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆航天器已脫離了地球的引力束縛，開始繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，假設(shè)在此軌道上剛好滿足霍曼軌道轉(zhuǎn)移的夾角要求，此時(shí)打開太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆進(jìn)行加速，沿著霍曼轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)行，最終在與火星相對(duì)速度不超過(guò)限制值的情況下進(jìn)行安全著落，完成此次飛行任務(wù)。

2理論模型

3總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆航天器選擇最佳發(fā)射地點(diǎn)在地球與火星相距最近時(shí)發(fā)射太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆航天器。在逃離地球之后滿足霍曼轉(zhuǎn)移的相位要求，打開太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)帆進(jìn)行加速進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，在與火星相對(duì)速度不超過(guò)限制速度是進(jìn)行安全著落。