浅谈利用太阳能驱动帆开展火星探测

孔伟 邓宏辉 杨芳 周青军

摘 要 太阳能应用已经进入到商业阶段，本文利用大学基本物理原理探讨了利用太阳驱动帆开展火星探测的可行性，给出了具体的计算过程。

关键词 火星探测 光压 霍曼轨道转移

中圖分类号：V529.1文献标识码：A

1背景介绍

太阳能驱动帆航天器是一种利用太阳光压进行太空飞行的航天器。在飞行过程中，太阳能驱动帆通过调整自己的姿态来改变航行轨迹。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从太阳光中获得加速度，太阳能驱动帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。假定太阳能驱动帆是由质量为7克/米2的材料制成的，在当太阳光从太阳能驱动帆表面反射时，光所施加的压力等于其能量密度的两倍。假设帆是由质量为7克/米2的材料制成的;一枚火箭将发射总重量为2，000千克（帆加载荷）的飞行以逃离地球。确定帆的大小和太阳能驱动帆航天器从地球到火星的飞行计划。假设地球和火星在发射的时候是最接近的，而且飞船和火星的相对速度必须不超过9公里/秒才能安全着陆。优化飞行计划以最大限度地提高有效载荷。当地球和火星在发射的时候是最接近的（地球处于远日点，火星处于近日点），可以确定发射时刻火星、地球、太阳三者的运动状态与位置，以此时刻、此位置作为模型的初始时刻和初始位置。当火箭将太阳能驱动帆航天器发射以逃离地球，此时太阳能驱动帆航天器已脱离了地球的引力束缚，开始绕太阳做圆周运动，假设在此轨道上刚好满足霍曼轨道转移的夹角要求，此时打开太阳能驱动帆进行加速，沿着霍曼转移轨道运行，最终在与火星相对速度不超过限制值的情况下进行安全着落，完成此次飞行任务。

2理论模型

3总结

本文设计的太阳能驱动帆航天器选择最佳发射地点在地球与火星相距最近时发射太阳能驱动帆航天器。在逃离地球之后满足霍曼转移的相位要求，打开太阳能驱动帆进行加速进入霍曼转移轨道，在与火星相对速度不超过限制速度是进行安全着落。