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

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

2、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

3、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)中獲取到一個不錯成績。其太陽帆推進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀可以分為以下幾個階段： maxwell在研究太陽光壓力模型的時候，就提出了關(guān)于光的實質(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)表面的時候，能夠?qū)φ丈浔砻娈a(chǎn)生一個壓力作為。這為以后航天研究者研究太陽帆推進(jìn)技術(shù)的時候奠定了理論研究基礎(chǔ)。 為了能夠證實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，用實驗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

4、德爾在1924年的時候提出的。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，因為缺乏工程技術(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月的時候進(jìn)行了太陽帆模型地面展開實驗，這也成為了人類成功研制的第一個實體的太陽帆模型。 近年來，nasa支持的太陽帆研究項目當(dāng)中在gsfc、jpl、larc、msfc等項目研究當(dāng)中都是有所涉及到的。其中l(wèi)arc的研究工作主要是對太陽帆地面試驗臺、剛性支撐試驗、

5、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空間帆項目是對先進(jìn)空間運輸計劃、msfc內(nèi)部的研究工作等方面進(jìn)行研究;jpl太陽帆項目是對環(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)驗和失敗教訓(xùn)，并結(jié)合先進(jìn)的理論知識與技術(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，這也將會是太陽帆推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢。 其

6、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)計當(dāng)中目前比較流行采用的是四方型帆體設(shè)計，其能夠具有受理均勻、帆體變形小、展開方案靈活等優(yōu)點;超輕支撐結(jié)構(gòu)當(dāng)中主要對重量輕、強度高、彈性好的材料展開研究，而這材料也將會作為太陽帆推進(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)實施工程化當(dāng)中需要進(jìn)行

7、如下的循序漸進(jìn)道路： （1）考慮到先進(jìn)性和實用性，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，并且需要充分的論證和試驗。 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

8、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)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學(xué)術(shù)年會論文集（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)動機(jī)研究進(jìn)展j.火

9、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）. 6charles garner， et al. developments and activities insolar sail propulsion r. aiaa - 2000 - 3858， 36thaiaa/ asme/sae/asee joint propulsion conference amp;exhibit. 7david m murphy， et al. demonstration of a 10- m solar sail system r. aiaa- 2004- 1576， 40th aiaa/asme/sae/ asee joint propulsion conference amp; exhibit. 8襲勝平.太陽帆航天器動力學(xué)與控制研究d.北京：清華大學(xué)，2009. 9榮思遠(yuǎn)，劉家夫，