太阳帆航天器展开结构技术综述*

霍 倩 饶 哲 周春燕

北京理工大学宇航学院飞行器结构动力学与控制实验室，北京 100081

近年来，随着各国深空探测活动范围的扩大及探测活动的多样化，早期的推力发动机的飞行时间、燃料和发射费用等问题制约了深空探测的发展。因此寻找一种低成本，且能够使探测器获得源源不断的动力的方法，成为人们的梦想，太阳帆飞行器从理论上解决了这一问题。当太阳光子照射到帆面上时，会被反射回去，同时光子会对太阳帆产生反作用力[1]，这样太阳帆便会有源源不断的动力，理论上只要太阳帆的形状和倾角合适，飞行器可以飞向太空中的任意一个位置,因此太阳帆飞行器使得低成本的深空探测成为可能。

1 可展开太阳帆的发展概况

在深空探测中，利用太阳帆作为航天器推进动力的基本思想由来已久。早在400多年前，著名的天文学家开普勒就曾经设想仅仅依靠太阳光就能使宇宙飞船在太空翱翔。但是直到1924年，才由俄罗斯的两位科学家E.Tsiolkovsky 和 Tsander[2]明确提出了“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。1973年，美国宇航局出资资助巴特尔实验室开始进行太阳帆的初步研究。欧洲空间局和德国宇航研究院合作，于1999年12月研制出20m×20m的太阳帆的模型，并在地面上成功进行了展开试验。1993年，俄罗斯在经过长期研究以及地面实验之后，成功研制了直径为20m的“Znanya-2号”空间反射镜[3]，但是接下来试验的直径为25m的“Znanya-2.5号”的展开却失败了。

近年来，随着人类对太空探测范围的扩大，以及微电子技术及材料科学技术方面的发展，太阳帆飞行器成为深空探测的热点。2001年美国行星协会发射了“宇宙1号”航天器[4]，这是世界上首次使用太阳帆作为动力装置的航天飞行器，但是由于航天器没有与第三级火箭分离，导致最终失败。2005年美俄合作的新的“宇宙1号”太阳帆飞船耗资400万美元，于2005年6月21日从一艘位于巴伦支海的俄罗斯潜艇K-496上发射，发射后与地球失去联络。行星协会在保持一阵沉默后也承认这次实验未能成功将太空船送入轨道。2008年美国行星学会接手了NASA的 “NanoSail-D计划”，并搭载“猎鹰号” (Falcon 1)发射，由于分离时出现故障，未能成功到达预定轨道。2009年， 美国行星协会启动了“光帆计划”，计划在2010年发射“光帆1号”，目前具体发射日期还未确定。在2010年5月，日本宇航研究组织JAXA成功发射世界上第一艘太空帆船太阳帆飞船“伊卡洛斯”(Ikaros)号[5]，并在随后的半年多时间成功完成包括利用太阳光实现加、减速和改变轨道等全部实验项目。JAXA还透露，准备在2018年至2019年间发射前往木星的太空帆船。同时，美国也表示要再次发射太阳帆飞船。此外，欧空局也宣布了自己的相关计划。可见太阳帆飞船的未来方兴未艾。

我国在太阳帆飞行器深空探测研究方面起步较晚[6]。现有北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科学院空间科学与应用研究中心等单位就太阳帆飞行器的轨道控制，姿态控制问题等展开了若干应用基础研究[6-11]，但是对太阳帆这类大型空间结构进行自旋展开和试验的研究目前尚未开展。

2 太阳帆展开方式的研究现状

在太阳帆航天器的结构设计中，关键性的问题之一就是在太空中如何展开太阳帆的帆面。多年来，已经设计出多种不同形状、结构和用途的太阳帆，按照帆面的展开方式主要分为2大类：1)由桅杆结构牵引帆面展开；2)利用离心力旋转展开帆面。

2.1 由桅杆结构拉伸展开帆面

由不同的驱动方式可以把桅杆结构展开分为以下几种：

1)充气展开结构。目前此种展开方式广泛应用于大型可展开结构中[12]。一般情况下，充气结构在展开以后需要对表面的材料进行硬化处理来保持帆面展开后的位形[13-14]。但由于这种展开方式对充气材料以及充气后的硬化方式还不是很完善，所以充气展开方式的发展受到了一定的限制[15-17]。

到目前为止，许多国家都已经对充气展开结构做了大量工作，1996年5月美国宇航局成功进行了充气天线轨道释放实验[18-19]。美俄合作研制的“宇宙一号”太阳帆[20]于2005年6月发射(如图1所示)，但由于火箭推进器出现故障导致发射失败。

图1 宇宙一号太阳帆展开过程示意图

2)机械展开结构[21]。这种展开方式常用于大口径的环形天线的展开，已经有较成熟的技术。在这种结构中，桅杆是一个可展开的机械系统，在电机的带动下，沿着支撑结构能够带动帆体到达指定的位置。

3)弹性展开结构。初始状态下桅杆绕在中心鼓轮上，在弹性力的作用下，桅杆和太阳帆同时展开，但是这种展开方式的缺点是无法调整帆体最终的位形。

例如，美国空军实验室研究了利用弹性力展开小型太阳帆模型[22]，目的是为将来一些小卫星的姿态调整提供推进力。图2(a)中初始状态小型太阳帆的桅杆缠绕在中心鼓轮外侧，展开过程中利用弹性力通过桅杆带动薄膜展开，除了中心桅杆保持展开后的形状外，在太阳帆的四周也有类似于桅杆的结构。该展开方式的优点是不需要人为加入驱动力，减少模型的复杂性。

图2 利用弹性力展开示意

2.2 自旋展开结构

自旋展开技术的原理是由自旋所产生的离心力甩开折叠的薄膜，并保持展开后的位形。这种展开方式的优点是不需要额外的支撑结构来保持展开后的位形，进而减少了结构重量，降低展开能耗。因此这种方式在太阳帆航天器中得到了广泛的应用。

上个世纪60年代Schuerch，Macneal，Hedgepeth等美国学者对自旋展开结构的探索[23-25]，基本属于机构学的研究范畴。例如：Macneal和Hedgepeth仿照直升机悬翼系统提出了螺旋陀螺太阳帆概念，采用柔性可伸展的转子叶片构成太阳帆[24-25]。此后美国航天界对大口径抛物面反射望远镜(LOFT)的可行性研究促进了对结构自旋展开过程的研究。

1993年俄罗斯所研制的“Znamya 2号”[3]利用自旋展开技术在太空中展开，该太阳帆由8片扇面组成反射面，每个扇面的折叠方式如图3(a)所示，8片扇面初始状态下顺序的缠绕在中心鼓轮外侧，随后在离心力的作用下，薄膜逐步展开。图3(b)所示为帆面完全展开后的模型图。

图3 Znamya2号展开示意

2010年5月21日，日本宇航局成功发射了伊卡洛斯号太阳帆，随后太阳帆在太空中成功展开。伊卡洛斯号拥有一面对角线长为20m的方形帆，由聚酰亚胺树脂材料制成，柔韧性非常好，厚度仅为0.0075mm，相当于人类发丝的几分之一。图4所示为太阳帆在太空中展开过程模拟图。首先在离心力的作用下，4根辐条绕着中心鼓轮展开，然后在辐条完全伸展开后，薄膜的帆面开始旋转打开。

图4 伊卡洛斯号太阳帆展开示意

通过已有的研究可以看出自旋展开和稳定技术具有以下优点[26]：1)自旋离心力可以提供结构的面内刚度，使结构可采用轻质柔性材料制成；2)采用相对简单的控制方法即可以获得稳定的展开；3)自旋展开控制可快可慢，从而适用于多种任务。

3 自旋展开结构中薄膜的折叠方式

在大型结构的空间自旋展开实验中，不同的折叠方式决定了太阳帆的展开方式。薄膜的折叠方式是其关键问题之一。在已有的各国实验研究中，有多种不同的折叠方式，例如Miura-Ori[27-28]法折叠、倾斜旋转折叠法，以及伊卡洛斯号折叠法等(如图5所示)。其中Miura-Ori 法折叠方式广泛应用于二维展开方式太阳帆的折叠。Furuyad 等[29-31]提出太阳帆的倾斜旋转折叠方法，并通过理论分析和实验研究两方面验证了这种折叠方法的可行性。

(a) Miura-Ori 法折叠

(b) 倾斜旋转折叠法

(c) 伊卡洛斯号折叠法图5 几种薄膜折叠方式

在太阳帆实验中，选择折叠方式主要从以下几方面考虑：1)折叠方式对展开过程的影响，要使帆面的展开过程对飞船产生较小的冲击作用；2)薄膜折叠时的形状和体积，占用较小的存储空间，减小飞船的体积，降低发射成本；3)对于大面积超轻薄膜折叠方式的可实现性。

由图5可以看出，Miura-Ori 法折叠方式比较适合由桅杆拉伸展开的太阳帆，倾斜旋转折叠方式与伊卡洛斯号折叠方式比较类似，但是倾斜折叠方式的折叠过程要更复杂一些，而且经过用纸张折叠试验发现，倾斜旋转折叠方式的展开过程速度较快，不易控制帆面的展开。因此，由以上分析可以得出，对于自旋展开结构“伊卡洛斯”号的折叠方式优于前两种折叠方式。

4 薄膜材料的选择

考虑到星际宇航的时间，太阳帆所使用的材料的面密度应该是在0.1～20g/m2范围内。目前最薄的商业可用的聚酰亚胺薄膜厚度为7.5μm，面密度为11 g/m2。1998年，Gershman和Seybold 指出面密度为10 g/m2比较合适探测水星及其太阳与地球之间的行星。进行复杂的探测任务则需要面密度为3 g/m2在非开普勒轨道上运行。

为了实现太阳光子驱动，中心鼓轮、弹性辐条等机构和结构的重量必须超轻(例如NASA试图达到辐条单位长度重量为60g/m，DLR拟采用厚度仅为0.01mm的碳纤维增强复合材料管)，因此太阳帆的实现技术上最大的挑战是制造出厚度仅为几个μm的薄膜材料而且要求弹性韧性好、按照预期设计在太空中展开，以及在展开过程中对太阳帆和探测器姿态实行有效的控制。

2010年5月日本宇航局发射“伊卡洛斯号”太阳帆，其帆面材料即厚度仅为0.0075mm的聚酰亚胺薄膜材料。这种大面积的超轻薄膜展开后只要表面足够光滑平整，就能使太阳帆的动量达到最大化。

5 自旋展开结构地面实验研究现状

我国对太阳帆飞行器的研究起步较晚，现在已经开展若干应用基础研究的太阳帆飞行器的轨道控制以及姿态控制，但是到目前为止还未见对太阳帆自旋展开结构进行地面实验研究。对于自旋展开结构的地面实验，可见日本宇航局在2009年用气球实验机构在高空展开大型的薄膜结构。

为了减小空气阻力对薄膜展开机构的影响，气球机构使自旋展开系统在高为40km的空中进行展开实验(如图6所示)。顶部的相机能够拍摄整个薄膜的运动情况。

图6 气球实验机构

在自旋展开结构地面试验研究中，如何抵消重力和空气阻力的作用，以及对实验装置的创新设计是我们所研究的关键问题。下一步将在真空舱中进行小型的帆面试验，对理论模型中薄膜的缠绕预测和控制进行验证，并根据试验中所发现的新问题修正理论模型。另一方面，将对控制方法进行研究，对自旋展开过程进行闭环控制，抑制薄膜的面外运动，消除薄膜缠绕，使薄膜能够平稳的展开。

6 结束语

随着新世纪的到来，各国航天科技界日益关注对行星探测颇具前景的太阳帆航天器，国外已经对太阳帆技术进行深入的研究，美国、俄罗斯和日本等在相关的实验验证方面都已经取得了一定的进展，但国内只对太阳帆航天器的轨道控制、姿态控制等问题展开了一些应用基础研究，而空间结构的自旋展开和控制是太阳帆等大型空间结构所涉及的关键问题之一，有待深入研究。

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