中国太阳帆推进技术现状及发展趋势分析

杨文昊（四川大学,成都610041）

中国太阳帆推进技术现状及发展趋势分析

杨文昊
（四川大学,成都610041）

摘要：太阳帆推进技术作为一种新型无需消耗化学燃料和工作介质的航天器推进技术，当前已经成为国内外航空研究领域中的热点。本文树立梳理了太阳帆推进技术的发展历程，结合近年来我国太阳帆推进技术的成果与进展，继而提出我国未来太阳帆推进技术的发展趋势。

关键词：太阳帆；航天器；推进技术

1　引言

近年来,我国在航天航空事业当中取得了骄人成绩，“神舟”系列飞船获得了令人瞩目的成功。但需要意识到，航天器发射重量以及在轨工作寿命在一定程度制约了航天航空技术的发展。为避免依靠传统燃料或者工作介质推进航天器,航空研究者们开始尝试核燃料推进器、电脉冲推进技术等。其中太阳帆推进技术能够将太阳能这种清洁能源进行利用，受到了很多航天研究者们追捧研究。其最大亮点是不依靠化学燃料和工作介质，直接利用太阳光子在高反射薄膜表面反射产生推力。太阳帆可以替代现有航天器的推进系统，利用太阳光压持续加速，获得数倍于传统航天器的速度，对化学燃料的需求很低，且结构简洁轻便，发射风险小,能够实现航天器的长距离空间飞行。太阳帆推进技术对将来的太空任务更便宜和更有效具有极其重要的意义。

2　太阳帆推进技术的研究现状

早在1873年的时候，Maxwell就已经提出了关于太阳光压力模型，后来Wie、McInnes等学者都对太阳帆压力模型进行了研究。在上世纪九十年后，国内外航天技术研究者开始逐渐对太阳帆推进技术展开了多方面研究，并在太阳帆推进技术研究当中获取到一个不错成绩。其太阳帆推进技术的研究现状可以分为以下几个阶段：

Maxwell在研究太阳光压力模型的时候，就提出了关于光的实质为电磁波这一假说，并且也准确了预言光照射到物质表面的时候，能够对照射表面产生一个压力作为。这为以后航天研究者研究太阳帆推进技术的时候奠定了理论研究基础。

为了能够证实Maxwell的电磁理论所预言光压现象，俄国物理学家彼得.列别捷夫通过一系列研究，用实验成功测出了光对固定以及气体的压力作用效果，从而也就证实了Maxwell的预言。

人类历史上首次明确了太阳帆概念是由俄国科学家康奥尔.其奥尔科夫斯基和弗里德里希.灿德尔在1924年的时候提出的。他们认为在航天器的推进结构当中是可以用超薄型的金属帆膜包裹在轻质硬塑料骨架上。但从那之后，因为缺乏工程技术方面的背景支持，所以太阳帆推进技术曾一度被认为“幻想中的宇航技术”，其研究一度停滞不前。不过在1998年之后，欧洲空间局、德国宇航研究院等航天研究机构展开了关于太阳帆推进技术研究的合作，其在1999年12月的时候进行了太阳帆模型地面展开实验，这也成为了人类成功研制的第一个实体的太阳帆模型。

近年来，NASA支持的太阳帆研究项目当中在GSFC、JPL、LaRC、MSFC等项目研究当中都是有所涉及到的。其中LaRC的研究工作主要是对太阳帆地面试验台、刚性支撑试验、太阳帆材料的研发、超轻超薄航天器等方面进行研究；其MSFC空间帆项目是对先进空间运输计划、MSFC内部的研究工作等方面进行研究；JPL太阳帆项目是对环形帆、旋转太阳帆的研发、挥发性膜材料、帆体支撑架等方面进行研究。

3　中国太阳帆推进技术的发展趋势研究

通过对太阳帆推进技术现状进行研究，笔者认为中国在太阳帆推进技术研究当中需要注意到充分吸取国际先进经验和失败教训，并结合先进的理论知识与技术对太阳帆推进技术进行研究。因此笔者认为我国在太阳帆推进的开展当中需要对帆体薄膜研究与工艺、太阳帆的控制方法、测量与试验技术、帆体的压缩包装与展开方案等关键技术开展研究，这也将会是太阳帆推进技术的发展趋势。

其超薄帆膜技术当中需要对超轻太阳帆材料、薄膜的纤维增强技术、薄膜的激光减薄技术等方面展开研究；其帆体设计当中目前比较流行采用的是四方型帆体设计，其能够具有受理均匀、帆体变形小、展开方案灵活等优点；超轻支撑结构当中主要对重量轻、强度高、弹性好的材料展开研究，而这材料也将会作为太阳帆推进技术研究当中的重要研究内容；当然在对于帆体的压缩包装、轻量帆体结构在空间的展开、太阳帆的控制、太阳帆计算模型等方面，其航天研究者在太阳帆推进技术当中都是有所进行研究的。

当然在对于太阳帆推进技术研究当中，是需要对关键技术研究进行突破，那么这样才能够实现太阳帆技术的工程化。笔者认为在太阳帆推进技术实施工程化当中需要进行如下的循序渐进道路：

（1）考虑到先进性和实用性，笔者认为在太阳帆推进技术研究当中是需要参考国际最流行的四方型基本布局。

（2）在太阳帆选型方案当中首先就应该需要在远离上解决太阳帆飞行器的轨道控制和姿态控制方案。

（3）需要对合适的帆体、支撑架材料进行选择，从而能够降低太阳帆的制造成本。

（4）对最关键的展开方案及对应的支撑架结构和展开机构设计，并且需要充分的论证和试验。

4　总结

对于比传统航天器的推进技术，太阳帆推进技术的研究还仅仅只是出于一个初步阶段。随着发达国家相继成功发射了太阳帆航天器，其各国在太阳帆推进技术当中投入了比较多关注。中国对于太阳帆推进技术研究也是在近几年当中有所收获，不过也将面临更多的机遇和挑战。本文主要是对太阳帆推进技术发展状况以及研究现状展开研究，希望通过这两方面研究得出我国太阳帆推进的发展趋势。

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