沈自才 張帆 趙春晴 劉宇明 丁義剛 牟永強

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

1 引言

大型薄膜展開式結(jié)構(gòu)［1-3］，具有成本低廉、存儲體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難達到的性能，成為空間研究和開發(fā)的熱點，其在各類航天器上的應用將是今后航天事業(yè)的發(fā)展方向和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

太陽帆是大型薄膜展開結(jié)構(gòu)的典型應用之一，它的原理是利用太陽在大面積薄膜上的反射光壓提供航天器飛行的動力，因此，要求薄膜具有面積大、質(zhì)量輕、反射率高等特點。此外，大面積可展開式薄膜太陽電池陣、太陽遮光罩、聚光鏡等也是大型展開結(jié)構(gòu)的應用方向。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）于2010年5月21日利用H-2A 運載火箭在種子島航天中心搭載拂曉號（AKATSUKI）金星氣候軌道器成功發(fā)射太陽帆演示航天器——太陽輻射驅(qū)動星際風箏航天器（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun，IKAROS）［4-5］，首次實現(xiàn)了太陽帆的在軌展開和運行，其在設(shè)計、制備、姿態(tài)控制等各個方面均實現(xiàn)了較大的突破。

本文首先對目前國際上的太陽帆發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹，其次對日本IKAROS太陽帆及其關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述，最后結(jié)合國際上太陽帆的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了我國開展大型展開結(jié)構(gòu)研究所應關(guān)注的方向。

2 國際太陽帆發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀90年代開始，美國、日本和俄羅斯等國紛紛開展了多次太陽帆空間展開試驗（見表1），但大多以失敗告終，直到2010年5月，日本發(fā)射IKAROS太陽帆，成功實現(xiàn)了太陽帆的在軌展開演示，開辟了空間太陽光壓推進的新時代。部分太陽帆展開示意見圖1［6-7］。

進入21世紀，世界航天大國進一步加大了對太陽帆推進的研制，先后于2007年6月和2010年7月在德國和美國召開了第一屆和第二屆太陽帆國際論壇［8-9］，對太陽帆的設(shè)計、制備、展開方式、姿態(tài)控制等進行了研討，并計劃進一步開展大量的太陽帆在軌飛行試驗驗證，具體情況見表2。

表1 國際太陽帆試驗的歷史Table 1 History of world solar sail test

圖1 太陽帆展開示意圖Fig.1 Sketch of solar sail deployment

表2 發(fā)展中的太陽帆Table 2 Solar sail in development

3日本IKAROS太陽帆及其關(guān)鍵技術(shù)

日本的IKAROS是第一個成功實現(xiàn)太陽帆在軌展開且成功飛行的航天器。以下對其基本概況和關(guān)鍵技術(shù)進行介紹和分析。

3.1 IKAROS概況

IKAROS于2010年5月21日，利用H-2A 運載火箭在種子島航天中心搭載拂曉號金星氣候軌道器升空，航天器總質(zhì)量307kg，裝備了厚度為7.5μm、質(zhì)量為16kg的四方形太陽帆，太陽帆利用航天器的自旋離心力展開。

IKAROS的設(shè)計任務主要包括以下4個方面。

1）太陽帆的空間展開

利用航天器自旋離心力實現(xiàn)200m2的四方形太陽帆展開，并利用姿態(tài)敏感器和相機對太陽帆展開過程及展開后的情況進行監(jiān)測。

2）利用太陽帆上薄膜太陽能電池發(fā)電

太陽帆上5%的面積覆蓋有無定形硅柔性太陽電池，可利用帆上電纜實現(xiàn)電的傳輸，并利用這些傳輸線實現(xiàn)伏安特性曲線和其他特性的測試。

3）驗證太陽帆上的太陽輻射壓

太陽帆上的太陽輻射壓約為1～2mN，并利用定軌技術(shù)測試太陽輻射壓加速。

4）建立太陽帆導航和巡航技術(shù)

通過調(diào)整太陽帆方向，實現(xiàn)經(jīng)由太陽輻射壓的連續(xù)軌道機動，利用反射控制技術(shù)實現(xiàn)太陽帆姿態(tài)控制。

其中，1）和2）為本次任務的最低目標，3）和4）為本次任務完全成功的目標，IKAROS在軌任務路線如圖2所示。

圖2 IKAROS在軌任務路線圖Fig.2 Mission sequence of IKAROS

3.2 IKAROS的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 總體設(shè)計技術(shù)

IKAROS主要由結(jié)構(gòu)、熱控、通信、天線與能源、數(shù)據(jù)處理、姿態(tài)控制和推進等子系統(tǒng)組成，其主要指標見表3。

其結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的主體形狀為圓柱體（直徑1.6m，高0.8m），如圖3所示，展開后的太陽帆薄膜形狀為四方形（邊長14m，厚度7.5μm），如圖4所示。

表3 IKAROS航天器主要指標Table 3 IKAROS spacecraft specification

圖3 IKAROS結(jié)構(gòu)總裝狀態(tài)Fig.3 IKAROS flight model in final assembly phase

圖4 IKAROS太陽帆展開狀態(tài)Fig.4 Deployment state of IKAROS solar sail

太陽帆展開結(jié)構(gòu)中只有約80%的面積用于太陽帆的光壓推動，其余面積則分布著薄膜太陽電池、液晶器件和塵埃粒子計數(shù)器，其中薄膜太陽電池為太陽帆姿態(tài)控制和通信系統(tǒng)提供能源，液晶器件也通過對太陽光的反射率和透射率的變化實現(xiàn)姿態(tài)控制，塵埃粒子計數(shù)器則利用壓電元件制成。太陽帆不同模塊之間則通過支架連接，而太陽帆和主體結(jié)構(gòu)之間則通過系鏈連接，在太陽帆的4個頂端則分布著質(zhì)量為0.5kg的頂端物，用于支持薄膜的展開，如圖5所示，薄膜的四分之一形狀如圖6所示。

圖5 IKAROS太陽帆模塊分布圖Fig.5 IKAROS solar sail and devices on the sail

圖6 IKAROS太陽帆四分之一膜片的正面和背面Fig.6 Front and back of trapezoid petal of IKAROS solar sail

3.2.2 材料設(shè)計技術(shù)

IKAROS太陽帆主要材料為厚度約7.5μm 的聚酰亞胺薄膜，在表面一側(cè)沉積厚度約為80nm 的鋁膜。然而，聚酰亞胺材料由于其制備工藝的不同，其力學性能相差較大。因此，針對太陽帆的不同部位，選用的材料也不相同。尤其是受力較大的位置，薄膜材料經(jīng)過增強處理以防止撕裂。

IKAROS太陽帆選用兩種不同的聚酰亞胺薄膜，其性能指標見表4，兩種不同聚酰亞胺材料在太陽帆上的應用如圖7所示。

表4 兩種不同的聚酰亞胺材料性能比較Table 4 Properties comparison between two different polyimide materials

圖7 兩種不同聚酰亞胺在太陽帆上的應用分布圖Fig.7 Distribution of two kinds of polyimide on solar sail

3.2.3 展開技術(shù)

IKAROS太陽帆的在軌展開與美國的設(shè)計概念不同，它利用自旋產(chǎn)生的離心力引導薄膜結(jié)構(gòu)的展開（見圖8）。在從發(fā)射器分離后，其最初自旋速度為5r／min，之后將速度降低到2r／min，然后拋出頂端物，準備第一階段的準靜態(tài)展開。拋出頂端物后，通過自旋加速裝置，使其自旋速度加速到25r／min，激活制動器一，將控制薄膜壓緊的裝置打開，之后隨著自旋速度的降低，利用離心力實現(xiàn)薄膜四角的完全展開。之后進一步激活制動器二，解除薄膜限制，開始薄膜的動態(tài)展開，隨著自旋速度的進一步降低，展開薄膜的振動減小，直到完全展開為止。

圖8 IKAROS太陽帆展開過程示意圖Fig.8 Solar sail deployment sequence

3.2.4 姿態(tài)控制技術(shù)

IKAROS太陽帆巧妙地利用在其上對稱分布的液晶器件，實現(xiàn)太陽帆姿態(tài)的控制，其原理如圖9。當液晶器件電源開時，液晶器件將對入射太陽光進行鏡面反射，當液晶器件電源關(guān)時，液晶器件將對入射光進行漫反射，假設(shè)單位面積的鏡面反射光壓為F1，單位面積的漫反射光壓為F2，則有F2＜F1，從而實現(xiàn)在太陽帆的不同位置存在不同的光壓，進而實現(xiàn)以太陽帆中心為支點存在一扭矩。通過控制太陽帆不同位置的液晶器件電源狀態(tài)，可實現(xiàn)太陽帆的姿態(tài)調(diào)控，以使其按照設(shè)計的路線飛行。

圖9 利用反射控制器件進行姿態(tài)控制原理圖Fig.9 Attitude control by using reflector

4 我國大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)的研究方向

太陽帆可望成為未來空間探測的重要驅(qū)動技術(shù)，尤其是IKAROS成功實現(xiàn)了世界首次太陽帆空間展開和飛行，對我國未來大型展開結(jié)構(gòu)的研制和應用具有重要的借鑒意義。

為此，可從以下幾個方面深入研究。

1）總體設(shè)計技術(shù)

利用薄膜材料制備大型展開結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一為總體設(shè)計技術(shù)，這是由于展開結(jié)構(gòu)本身只是實現(xiàn)其功能的一部分，如展開式薄膜太陽電池陣的展開結(jié)構(gòu)只是作為支撐部分。此外，大型展開結(jié)構(gòu)還需結(jié)合能源、通信、性能監(jiān)測、姿態(tài)控制等子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)都是大型展開結(jié)構(gòu)航天器所不可或缺的部分，因此，如何將這些子系統(tǒng)與大型展開結(jié)構(gòu)合理地整合到一起，是航天器的總體設(shè)計工作。以太陽帆為例，納帆與IKAROS就存在較大的差別（見圖3和圖10），這些差別包括能源的布局、各項功能子系統(tǒng)的分布等。

2）材料制備與加工技術(shù)

材料的制備與加工技術(shù)是大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，包括材料的制備技術(shù)和材料的加工技術(shù)兩個方面。從材料制備技術(shù)角度分析，如何制備出質(zhì)量輕、面積大的材料，同時又要具備一定的功能，如太陽帆薄膜的高反射率和較好的力學性能是材料研發(fā)的根本目標；從材料的加工技術(shù)分析，則包括加工材料的形狀，把一定功能、不同單元材料有機地構(gòu)造在一起等。

圖10 納帆主體結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of Nano-sail

3）展開技術(shù)

大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)的展開技術(shù)是航天器實現(xiàn)在軌性能的前提。目前已知的展開方式有充氣展開（類剛性）、機械展開（剛性）和自旋展開（柔性）幾種方式，剛性展開見圖4。如果是利用骨架或柔性骨架實現(xiàn)幾個方向的直接延伸，則設(shè)計上相對簡單，但同時所占用的面積也較大；如果利用自旋離心力展開，則可以大大縮小航天器的收縮面積和體積，但對展開的技術(shù)要求較高。因此，如何根據(jù)航天器的軌道、展開結(jié)構(gòu)的用途等選擇合適的展開技術(shù)是非常重要的。例如，自旋型較之剛性型可達到膜片式的質(zhì)量／面積比，但是其在姿態(tài)控制上也有一些缺點。首先，由于膜片的柔性使姿態(tài)調(diào)控變得復雜，傳統(tǒng)的推進扭矩將會引起膜片的擾動；其次，在姿態(tài)控制時的燃料消耗也要求自旋型需要控制較大的角動量。從另一方面，自旋型的姿態(tài)控制相對安全，其分析見表5。

表5 剛性型和自旋型展開方式比較Table 5 Comparison between rigid and spinning deployment

4）姿態(tài)控制技術(shù)

大型展開結(jié)構(gòu)航天器在軌運行過程中，隨著軌道的變化和相對太陽位置和傾角的變化，為實現(xiàn)一定的功能，如軌道或電源獲取，需要對姿態(tài)進行控制。若太陽帆采用IKAROS模式，則可以通過采用液晶器件實現(xiàn)不同位置光壓的變化，若采用宇宙1號葉片式太陽帆，則可以通過控制其中某一個或幾個葉片相對太陽角度的變化，實現(xiàn)相對中心力矩的變化而控制姿態(tài)。因此，姿態(tài)控制技術(shù)與大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計是密切相關(guān)的。

5）能源供給技術(shù)

能源是實現(xiàn)通信、姿態(tài)控制、性能監(jiān)測等的動力來源。對不同用途的大面積輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)，可能需要采用一種或幾種電源技術(shù)。以IKAROS太陽帆為例，不但在太陽帆表面分布了部分薄膜太陽電池，在中心主體結(jié)構(gòu)的頂端也排布了大量的太陽能電池，以滿足航天器在軌運行的需要。同樣，如何實現(xiàn)能源分的收集與分配也是能源供給技術(shù)的重要內(nèi)容。

6）空間環(huán)境適應性技術(shù)

大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)在軌運行過程中，其材料和器件將面對嚴酷的空間環(huán)境，如太陽電磁輻射、帶電粒子輻射、高低溫等，這將導致材料與器件的光學、電學和力學等性能發(fā)生變化甚至失效，造成航天器在軌故障或縮短壽命。如深空探測用大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)，就要面臨較之地球軌道更加嚴酷的高低溫環(huán)境。因此，大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)航天器的空間環(huán)境適應性技術(shù)也是需要重點關(guān)注的內(nèi)容之一。

7）地面模擬試驗驗證技術(shù)

在大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)航天器研制的過程中，針對展開結(jié)構(gòu)在地面研制及發(fā)射過程各個環(huán)境的特點，需要開展展開結(jié)構(gòu)的地面存貯、延長、解壓、振動、展開等各項功能試驗。

對航天器的初樣和正樣，則通常需要開展熱真空試驗和振動試驗等。尤其是針對大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)，對其地面模擬試驗和驗證試驗提出了新的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

太陽帆航天器技術(shù)是一個多學科交叉的綜合技術(shù)，是未來的重要發(fā)展方向。應該在進一步加強航天器材料與器件的制備與加工技術(shù)、航天器地面模擬試驗驗證技術(shù)及航天器總體設(shè)計技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，盡快系統(tǒng)開展以太陽帆為代表的大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)研制與應用。

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展和深空探測的逐步推進，大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)將受到越來越高的重視和應用。IKAROS太陽帆的在軌成功展開和飛行給我們提供了大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)空間應用的示范，其設(shè)計技術(shù)和在軌運行控制技術(shù)將對我國未來輕型展開結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有借鑒意義。

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