胡 馳，郭 寧，陳 昊，黃德東,2，徐 超,2

（1. 西北工業(yè)大學 航天學院，西安 710072； 2. 西北工業(yè)大學 青島研究院，青島 266200；3. 湖北航天技術(shù)研究院 總體設計所，武漢 430040）

0 引言

立方星具有質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、研發(fā)周期短和功能密度高等優(yōu)點，已在空間演示驗證、科學研究及組網(wǎng)式衛(wèi)星通信等方面得到廣泛應用[1-3]。截至2019 年1 月，超過900 顆立方星被發(fā)射入軌，如歐盟主導的QB50 項目、印度的一箭104 星以及西北工業(yè)大學的“翱翔之星”等。由于立方星攜帶的燃料有限，導致其工作壽命很短，一般為數(shù)天到數(shù)月。立方星結(jié)束工作任務后，如果不能及時離軌就會變成空間碎片，占用大量的軌道資源，嚴重威脅在軌航天器的安全。

目前，對于空間碎片的清理技術(shù)主要有激光清理、捕捉清理、電動力繩系清理及空氣阻力帆技術(shù)等。激光清理技術(shù)主要分為推進式和燒蝕式2 種[4]。推進式是利用激光作用于碎片表面，使空間碎片獲得一個速度增量來偏移初始軌道；燒蝕式是采用高能激光長時間作用于空間碎片，使其直接升華。這2 種清理方式對空間碎片的位置探測與瞄準發(fā)射的精度要求非常高，且產(chǎn)生高能激光需要消耗大量的能量，因此，清理碎片成本高，不適于實現(xiàn)大量空間碎片的清理。采用捕捉方式[5]進行空間碎片的清理通常分為2 步：首先利用抓捕裝置對空間碎片實施抓捕作業(yè)，然后將空間碎片儲存起來通過軌道轉(zhuǎn)移飛行器進行統(tǒng)一處理。由于軌道轉(zhuǎn)移飛行器空間和能量的限制，這種方式所能清理的空間碎片數(shù)目有限，且清理成本較高。利用電動力繩系方式清理空間碎片的原理為：在空間碎片上附著一條帶電導線，碎片在軌飛行過程中，帶電導線切割地球磁場的磁力線產(chǎn)生洛侖茲力，可使碎片在洛侖茲力的作用下脫離原先的運行軌道，最終進入大氣層燒毀[6]。這種清理方式的不足之處是，帶電導線電流非常小，通常需設計數(shù)千米甚至數(shù)十千米長的纜繩，而繩索難以控制，在軌飛行過程中展開困難。

空氣阻力帆技術(shù)[7]的原理是：通過展開一張面積較大的帆膜來增大衛(wèi)星面質(zhì)比，從而增大衛(wèi)星在軌飛行時受到的稀薄大氣阻力，使衛(wèi)星飛行速度降低，進而促使其軌道衰減，加速墜落到大氣層內(nèi)燒毀。這種清理方式不需要消耗大量能量，且阻力帆裝置質(zhì)量小、體積小、成本低，非常適合近地軌道立方星的離軌。本文將闡述國內(nèi)外已發(fā)射的主要空氣阻力帆裝置的技術(shù)特點，分析阻力帆結(jié)構(gòu)設計三大關(guān)鍵技術(shù)，并就有關(guān)空間環(huán)境效應模擬試驗情況進行歸納討論。

1 國內(nèi)外已發(fā)射的主要空氣阻力帆裝置

1.1 NanoSail-D2 立方星上的阻力帆裝置[8-9]

NanoSail-D2 立方星攜帶的阻力帆裝置采用徑向展開方式（如圖1[8]所示），展開面積為10 m2。其依托FASTSAT 衛(wèi)星平臺于2010 年11 月19 日發(fā)射升空，2011 年1 月20 日在軌成功展開。

圖1 NanoSail-D2 立方星及其展開的阻力帆[8]Fig.1Configuration of NanoSail-D2[8]with deployed drag sail

NanoSail-D2 立方星輔助離軌阻力帆裝置分為帆膜儲箱和展開裝置2 部分，如圖2 所示。展開裝置由彈性桅桿、中心軸、導軌桿、壓緊機構(gòu)及支撐柱等組成。當阻力帆裝置工作時，彈性桅桿釋放自身儲存的應變能帶動帆膜向外展開。在彈性桅桿向外運動的過程中，壓緊機構(gòu)壓緊彈性桅桿，防止彈性桅桿向外擴張時造成裝置卡死。然而，此種阻力帆裝置的彈性桅桿運動速度較快，在展開結(jié)束階段會回縮，影響衛(wèi)星的姿態(tài)控制，因此需要設計相應的減速裝置。

圖2 NanoSail-D2 立方星輔助離軌阻力帆裝置[8]Fig.2 The deployable drag sail of NanoSail-D2[8]

1.2 Deorbit Sail[10-11]

英國薩里大學空間科學中心實施了衛(wèi)星快速離軌試驗項目——“離軌帆”（Deorbit Sail），其阻力帆裝置的帆膜為5 m×5 m×7.5 μm 的Kapton 薄膜。Deorbit Sail于2015 年7 月10 日成功發(fā)射入軌。

Deorbit Sail 阻力帆裝置主要由可伸縮箱體、帆膜和彈性桅桿展開機構(gòu)3 部分組成。可伸縮箱體（如圖3[10]所示）可以在彈簧的作用下展開，給衛(wèi)星?阻力帆裝置的質(zhì)心與壓心之間提供一個偏置，從而提高裝置在低軌道上的穩(wěn)定性。該阻力帆裝置使用Dyneema 線將帆膜綁住，展開前利用鎳鉻合金電阻絲通電加熱將線燒斷，圖4[10]所示為Dyneema線綁縛下折疊狀態(tài)的Kapton 帆膜。彈性桅桿為3.6 m長、0.25 mm 厚的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復合材料彈性桅桿。展開裝置包括1 個轉(zhuǎn)軸、1 個電機、4 組導向桿和4 組壓桿，如圖5[10]所示。當阻力帆裝置不工作時，通過銷釘將轉(zhuǎn)軸和電機鎖死；阻力帆裝置工作時，銷釘可在杠桿裝置的作用下被拔出從而實現(xiàn)整個機構(gòu)的解鎖。整個展開機構(gòu)在直流電機的作用下轉(zhuǎn)動，彈性桅桿帶動帆膜展開。

圖3 Deorbit Sail 阻力帆裝置的可伸縮箱體[10]Fig.3 Retractable box for Deorbit Sail[10]

圖4 Deorbit Sail 阻力帆裝置的折疊狀態(tài)Kapton 帆膜[10]Fig.4 Folded Kapton film for Deorbit Sail[10]

圖5 Deorbit Sail 阻力帆裝置的彈性桅桿展開機構(gòu)[10]Fig.5 Deployment mechanism of elastic boom for Deorbit Sail[10]

1.3 AEOLDOS[12-13]

AEOLDOS（Aerodynamic End Of Life De-Orbit System）阻力帆裝置由英國格拉斯哥大學與德國慕尼黑工業(yè)大學聯(lián)合研制，采用徑向展開方式。該裝置重372 g，帆膜展開面積為1 m2，體積為0.4 U（1 U=10 cm×10 cm×10 cm）。帆膜材料為透明聚酰亞胺薄膜，厚度為12 μm，采用“蛙腿（frog-leg）式”方法折疊。

裝置由箱門，卷尺彈簧，8 對導向軸承及花瓣輪轂軸承，4 片三角形帆膜和4 個梯形帆膜儲箱組成，如圖6[13]所示。其中花瓣輪轂軸承由壓電易碎螺母（piezo frangibolt）鎖緊，解鎖裝置如圖7[13]所示。當阻力帆裝置需要工作時，給壓電易碎螺母通電，螺母碎開后，卷尺彈簧由高能纏繞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芷街睜顟B(tài)，花瓣輪轂軸承開始轉(zhuǎn)動；4 根卷尺彈簧各推動1 個箱門向外運動，從而帶動與箱門相連的帆膜向 外展開。

圖6 AEOLDOS 阻力帆裝置[13]Fig.6 AEOLDOS drag sail module[13]

圖7 AEOLDOS 阻力帆裝置的解鎖裝置[13]Fig.7 Unlocking device for AEOLDOS drag sail[13]

1.4 CanX-7衛(wèi)星上的阻力帆裝置[14-18]

CanX-7衛(wèi)星上使用的離軌系統(tǒng)由加拿大多倫多大學空間飛行實驗室設計，包括4個三角形阻力帆裝置，總展開面積為4.25m2。其帆膜材料為聚酰亞胺薄膜，厚度12.5μm，采用“雙手風琴（double accordion）式”方法折疊。CanX-7衛(wèi)星于2016年9月發(fā)射入軌，2017年5月展開阻力帆。

圖8[15]所示為CanX-7的阻力帆裝置的主要部件及其裝配關(guān)系。其中地面支持裝置僅用于阻力帆裝置的地面裝配，通過齒輪與轉(zhuǎn)軸上下兩端的法蘭盤相配合，便于阻力帆裝置裝配過程中卷尺彈簧的纏繞。

圖8 CanX-7的阻力帆裝置主要部件[15]Fig.8CanX-7’s drag sail module’smain parts[15]

CanX-7阻力帆裝置采用切向展開方式，由箱蓋、側(cè)板、轉(zhuǎn)軸外殼、電控系統(tǒng)、箱體、卷尺彈簧、轉(zhuǎn)軸、帆膜儲箱和解鎖裝置等部件組成。解鎖裝置采用燒斷式，包含電阻絲、纖維線、側(cè)板和彈簧等部件。其中：纖維線選用Vectran 高強度多芳基化合物纖維；電阻絲選用鎳鉻耐熱合金，螺旋狀纏繞在纖維線上，便于快速加熱熔斷纖維線，縮短解鎖時間。當阻力帆裝置接收到工作指令后，衛(wèi)星上電源給電阻絲通電，電阻絲發(fā)熱燒斷纖維線，側(cè)板在彈簧作用下打開，卷尺彈簧繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，向外帶動帆膜展開。

1.5 PW-Sat 衛(wèi)星上的阻力帆裝置[19-20]

PW-Sat 衛(wèi)星上的阻力帆裝置由波蘭華沙理工大學研制，采用旋轉(zhuǎn)式展開方法。阻力帆裝置的體積小于1U，帆膜展開面積為4 m2，帆膜選用厚5μm的Mylar 聚酯薄膜。為了避免薄膜被撕裂，在其邊緣用Kapton 聚酰亞胺膠帶進行加厚。PW-Sat 衛(wèi)星于2018 年發(fā)射入軌。

PW-Sat 的阻力帆裝置如圖9[19]所示，主要包含帆膜儲箱、錐形彈簧、中心軸、卷尺彈簧及解鎖裝置等。帆膜兩直角邊與卷尺彈簧相連，纏繞在中心軸上，中心軸通過解鎖裝置（見圖10[19]）鎖定在帆膜儲箱內(nèi)，此時錐形彈簧處于壓縮狀態(tài)。當阻力帆裝置收到工作指令后，其上頂板打開，解鎖裝置解鎖，錐形彈簧將中心軸及卷尺彈簧沿法向方向一同從帆膜儲箱內(nèi)彈出。錐形彈簧保持中心軸不動，卷尺彈簧帶動帆膜繞中心軸旋轉(zhuǎn)展開。采用此種展開方式，需要保證錐形彈簧具有較好的穩(wěn)定性，以避免阻力帆裝置往復運動對衛(wèi)星姿態(tài)造成影響。

圖9 PW-Sat 阻力帆裝置[19]Fig.9Thedrag sail moduleof PW-Sat[19]

圖10 PW-Sat 阻力帆裝置的解鎖裝置[19]Fig.10Unlocking devicefor PW-Sat’sdrag sail module[19]

1.6“淮安號”恩來星的阻力帆裝置[21]

南京理工大學研制的“淮安號”恩來星是一顆環(huán)保型衛(wèi)星，用于開展基于空氣阻力帆技術(shù)的主動離軌試驗。其阻力帆裝置如圖11[21]所示，展開方式與PW-Sat 衛(wèi)星的阻力帆裝置類似。阻力帆采用雙面鍍鋁的聚酰亞胺薄膜，展開面積為1.2m2，帆膜收攏狀態(tài)下阻力帆裝置體積為?70mm×60mm?！盎窗蔡枴倍鱽硇怯?018年發(fā)射入軌。

圖11 “淮安號”恩來星的阻力帆裝置[21]Fig.11Thedrag sail moduleof “Huaian” satellite[21]

1.7 “青藤之星”的阻力帆裝置[22]

天儀研究院自主研制的“青藤之星”攜帶的阻力帆裝置如圖12[22]所示，預計在衛(wèi)星入軌6個月后展開，展開面積為0.7m2，可以使衛(wèi)星在6～12個月內(nèi)離軌?！扒嗵僦恰庇?019年1月發(fā)射入軌。

圖12 “青藤之星”阻力帆裝置展開狀態(tài)[22]Fig.12Deployed state of “Qingteng Star”drag sail module[22]

1.8 “速降”阻力帆裝置

“速降”阻力帆裝置由西北工業(yè)大學航天學院研制，主要由卷尺彈簧、帆膜、中心軸、導軌柱、帆膜儲箱、箱體、法蘭盤及阻力塊等組成，如圖13所示。卷尺彈簧纏繞在中心軸上，以儲存彈性應變能，為阻力帆展開提供驅(qū)動力矩。帆膜展開面積為1m2。上、下2個法蘭盤的主要作用為限位，避免卷尺彈簧在展開過程中上下跳動。阻力塊用于限制卷尺彈簧向外展開的速度，從而減緩卷尺彈簧展開末期的回縮抖動。導軌柱用于保證卷尺彈簧沿固定方向展開。

圖13 “速降”阻力帆裝置Fig.13“Alight quickly” drag sail module

“速降”阻力帆裝置的解鎖裝置為燒斷式，由彈簧、鎖桿、纖維線和電阻絲組成，安裝在箱體頂板上，如圖14所示。

圖14 “速降”阻力帆裝置的解鎖裝置Fig.14Unlocking device for “Alight quickly”drag sail module

2 阻力帆結(jié)構(gòu)設計關(guān)鍵技術(shù)分析

從已有空氣阻力帆結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點來看，其關(guān)鍵技術(shù)包括支撐臂設計，帆膜設計與分析，帆膜折疊技術(shù)3個方面。

2.1 支撐臂設計

阻力帆裝置中的彈性桅桿既提供展開動力又起支撐作用。在地面原理性驗證中，為了降低開發(fā)成本和周期，通常采用卷鋼尺作為彈性桅桿。在實際搭載中，為避免干擾衛(wèi)星的正常通信，彈性桅桿的制備材料通常選用鈹銅合金等無磁性材料，如CanX-7、PW-Sat 上阻力帆裝置的彈性桅桿。

卷尺彈簧是一種開口殼結(jié)構(gòu)，具備展開彎矩穩(wěn)定及自鎖定等特性，已被大量應用在工程結(jié)構(gòu)中，如空間可展開天線[23]、帆板展開機構(gòu)[24]、空間展開望遠鏡[25]及展開平臺[26]等。其常用材料有鈹銅合金和碳素鋼，也有利用復合材料制備的。國內(nèi)外學者針對卷尺彈簧的力學性能做了大量研究工作。劍橋大學Seffen 等[27]研究了一種由碳纖維和環(huán)氧樹脂等復合材料制成的卷尺彈簧的展開彎矩隨轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。王俊等[28]分析了卷尺彈簧長度、厚度、截面半徑及截面圓心角對組合鉸鏈展開驅(qū)動彎矩的影響，結(jié)果表明鉸鏈彎矩與厚度呈三次方關(guān)系，與圓心角呈線性關(guān)系，與長度及截面半徑關(guān)系不大。魏玉卿等[29]定義了卷尺彈簧折疊過程中的沖擊比，用來衡量其展開過程中的平穩(wěn)程度，并研究了卷尺彈簧厚度及截面圓心角對應變能、展開彎矩及沖擊比的影響，結(jié)果表明厚度對應變能和沖擊比影響較大，圓心角對應變能影響較小。張道威等[30]設計了用于帆板展開的彈性鉸鏈，并推導了厚度和彎曲剛度對太陽帆板結(jié)構(gòu)基頻的影響關(guān)系。

通過研究不同參數(shù)對卷尺彈簧性能的影響，可以更好地設計卷尺彈簧的截面形狀及參數(shù)，分析阻力帆裝置的動力學特性。開口殼結(jié)構(gòu)正向彎曲時，彎曲剛度較小，抵抗外力干擾能力較差。為增強彈性桅桿的截面穩(wěn)定性，彈性桅桿也可設計成對稱截面形狀，例如，“人”字形或“豆莢”形（分別如圖15[8]和圖16[31]所示）。為減小彈性桅桿的質(zhì)量，可選用碳纖維復合材料進行制備，同時能避免桅桿對衛(wèi)星通信的干擾。

圖15 TRAC桿[8]Fig.15TRAC boom[8]

圖16 “豆莢”桿[31]Fig.16Lenticular boom[31]

2.2 帆膜設計與分析

阻力帆裝置展開后屬于空間桿索膜結(jié)構(gòu)，尺度大，力學特性復雜。國內(nèi)外學者對于帆膜結(jié)構(gòu)進行了大量的研究。Wong 等[32-34]分別利用解析法、數(shù)值法及實驗研究了方形薄膜在剪切力作用下的褶皺行為。肖薇薇等[35]利用實驗方法研究了剪切力的大小以及膜面預應力對純剪切力作用下正方形薄膜陣面的褶皺特性的影響，結(jié)果表明隨著剪切力增大，薄膜褶皺數(shù)量增多，褶皺幅值增大；隨著預應力增大，薄膜褶皺數(shù)量略微增多，褶皺幅值減小。譚峰等[36]利用修正本構(gòu)矩陣法研究了薄膜的褶皺問題。張建等[37]利用基于薄殼單元的數(shù)值仿真方法研究了張拉薄膜結(jié)構(gòu)和充氣薄膜結(jié)構(gòu)的變形、褶皺以及應力變化情況，論證了殼單元模擬膜結(jié)構(gòu)的可行性。譚惠豐等[38]研究了薄膜的褶皺幅值對薄膜后屈曲振動行為的影響，結(jié)果表明當褶皺幅值較大時，需要考慮褶皺對薄膜振動行為的影響。余志祥等[39]分析了索膜結(jié)構(gòu)中索的剛度、膜面初張力等因素對結(jié)構(gòu)自振特性的影響。Greschik 等[40]利用解析方法對太陽帆進行了詳細的參數(shù)化設計，但是其存在簡化假設過多和分析過程、方法極為復雜的問題。Sleight 等[41]在有限元分析中，針對空間桿索膜結(jié)構(gòu)的自由飛行狀態(tài)，利用有限元分析中的慣性釋放技術(shù)來分析其結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性。Taleghani等[42-43]對一個邊長分別為10 m 和20m 的三角形帆膜進行靜力分析。Sleight 等[44]對比了分別利用NASTRAN和ABAQUS有限元軟件求解10m×10 m 方形太陽帆靜力問題以及動態(tài)特性的結(jié)果。Banik等[45]對20 m×20m 方形太陽帆進行結(jié)構(gòu)熱分析，研究了不均勻的溫度場對帆膜結(jié)構(gòu)響應的影響。

阻力帆裝置中，拉索一般只能承受拉力，不能承受壓力，為典型非線性元件；薄膜厚度很小，需要在預張力條件下才能承受面外載荷，且易于發(fā)生褶皺，需采用非線性分析方法進行求解；剛性桿在組合結(jié)構(gòu)中起到預張力基礎和維持航天器構(gòu)型的作用，但其剛度一般與組成系統(tǒng)的索和膜的剛度相差若干數(shù)量級，導致非線性分析收斂困難。因此，空間桿索膜組合結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)分析難度較大，是新概念超大尺度空間結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 帆膜折疊技術(shù)

帆膜能否順利展開關(guān)系到阻力帆裝置能否發(fā)揮作用，因此帆膜的折疊及展開方式是阻力帆裝置應用的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常要求：1）薄膜折疊之后應能滿足尺寸要求；2）折痕長度越短越好；3）折疊方法應盡量簡單[46]。

“蛙腿式”或“雙手風琴式”是阻力帆裝置常用的帆膜折疊方法?！巴芡仁健闭郫B方法先沿著等腰三角形帆膜底邊的平行方向進行一系列的等距“Z”形折疊，將帆膜折疊為長條狀；然后從長條狀的中間部分開始，向兩側(cè)進行一系列的不等距“Z”形折疊，以使最終折疊體能夠和帆膜儲箱匹配，如圖17所示。

圖17 “蛙腿式”折疊方法示意Fig.17Frog-leg folding

“雙手風琴式”折疊方法與“蛙腿式”折疊方法相似，但折疊方向不同，具體為：先沿著等腰三角形帆膜底邊的垂向進行一系列的等距“Z”形折疊，將帆膜折疊為長條狀；然后沿著該長條寬度的平行方向進行一系列的不等距“Z”形折疊，以使最終折疊體能夠和帆膜儲箱匹配，如圖18所示。

圖18 “雙手風琴式”折疊方法示意Fig.18Double accordion folding

上述2種折疊方法均具備折疊展開流程簡單的特點，以及很好的可重復折疊展開能力。通過這2種方法折疊而成的折疊體能夠很好滿足阻力帆結(jié)構(gòu)的尺寸要求。但是，利用“蛙腿式”折疊方法折疊而成的帆膜在三角形底邊區(qū)域無法展開，展開效率比用“雙手風琴式”折疊方法折疊而成的要低。

3 阻力帆空間環(huán)境效應模擬試驗

為了保證阻力帆系統(tǒng)的可靠性，必須在地面進行熱真空和熱輻射等空間環(huán)境效應模擬試驗[47-48]，評估阻力帆材料暴露于空間輻射環(huán)境后的熱光學和機械性能。此外，為了驗證阻力帆機構(gòu)與相應火箭發(fā)射環(huán)境的兼容性以及運輸過程的安全性，還需要對阻力帆機構(gòu)進行發(fā)射環(huán)境測試，以確保阻力帆機構(gòu)在發(fā)射振動載荷以及通風情況下仍能夠正常工作[49]。

3.1 ATK 及L’Garde公司20m大型可展開帆膜結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗[49-50]

2003年，NASA 資助了2個直徑為20m 的空間可展開帆膜結(jié)構(gòu)項目，由ATK 公司以及L’Garde公司分別設計制作。在2005年中期，2個研制團隊利用GRC 梅溪站的30m 真空實驗室對各自的帆膜結(jié)構(gòu)進行了較為全面的真空熱循環(huán)及展開試驗，如圖19[50]所示。

圖19 梅溪站真空實驗室內(nèi)部署的20m 帆膜系統(tǒng)[50]Fig.19Two20msolar sailprototypesfor testin thevacuum chamber of GRCPlum Brook Station[50]

為了保證帆膜系統(tǒng)的所有組件在助推器上升期間排出帆膜系統(tǒng)中存在的殘余氣體，L’Garde公司進行了收納狀態(tài)下的帆膜系統(tǒng)上升通風試驗，如圖20[49]所示，試驗結(jié)果顯示，帆膜、橫梁和葉片中的所有殘留氣體都可以在不造成任何系統(tǒng)損壞或干擾的情況下溢出。

圖20 L’Garde 可展開帆膜系統(tǒng)（收納狀態(tài)）上升通風試驗[49]Fig.20Theascent venttestforL’Gardesolar sailsystem(folded)[49]

同時，為了驗證展開帆膜系統(tǒng)與德爾塔-2型火箭發(fā)射振動環(huán)境的兼容性，L’Garde公司利用振動臺進行了發(fā)射振動試驗，在x、y、z三個方向上分別加載了德爾塔-2的發(fā)射振動載荷，以驗證所研制的展開帆膜系統(tǒng)的振動可靠性，振動試驗系統(tǒng)如圖21[49]所示。

圖21 L’Garde 可展開帆膜系統(tǒng)發(fā)射振動試驗[49]Fig.21ThelaunchvibrationtestforL’Gardesolarsail system[49]

3.2 美國空軍研究實驗室10m2 可展開帆膜系統(tǒng)的環(huán)境試驗[51]

美國空軍研究實驗室（AFRL）和美國航空航天局馬歇爾航天飛行中心（MSFC）聯(lián)合研制了一種10 m2的可展開帆膜系統(tǒng)——EDU2，并進行了相應空間環(huán)境效應試驗，試驗內(nèi)容包括熱真空環(huán)境下的4次熱循環(huán)試驗以及50次展開收納試驗[51]。

試驗中，可展開帆膜機構(gòu)被安裝于真空室的承載板上[51]。在整個真空試驗期間真空室壓力保持在1×10-4torr（1.333×10-2Pa）以下。熱循環(huán)試驗的熱浸和冷浸溫度分別設置為(70±2)℃和[-20(+5/-10)]℃，第一次熱浸和最后一次冷浸各保持8h。原計劃在熱循環(huán)試驗期間進行50次帆膜展開/收納試驗，但由于帆膜承載板的安裝不合理，在第46次展開過程中帆膜掛在了安裝板上，導致試驗中斷。

3.3 馬歇爾航天飛行中心環(huán)境影響小組的帆膜空間輻射環(huán)境試驗[48]

為了評估在地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）的輻射環(huán)境下鍍鋁聚酯薄膜的熱光學和機械性能，馬歇爾航天飛行中心的環(huán)境影響小組對鍍鋁聚酯薄膜進行了空間輻射環(huán)境試驗，利用低能電子（LEE）測試系統(tǒng)（如圖22[48]所示）對4種不同材料（鍍鋁聚酰亞胺薄膜、鉻背襯鍍鋁聚酯薄膜、鍍鋁聚酯薄膜以及鍍鋁透明聚酰亞胺薄膜）進行了試驗，將試驗件暴露在與GTO電子輻射劑量相當?shù)哪M輻射環(huán)境下，分別于1個月、2個月、4個月和6個月后測試其力學性能。最終的試驗結(jié)果顯示，除鍍鋁聚酰亞胺（Kapton）薄膜外，其他所有薄膜材料均在1～2個月內(nèi)損毀。

圖22 MSFC的低能電子（LEE）測試系統(tǒng)[48]Fig.22Low energy electron (LEE)systemsat MSFC[48]

3.4 國內(nèi)有關(guān)模擬試驗技術(shù)條件及研究現(xiàn)狀

近年來，我國的空間環(huán)境效應試驗研究也取得了大量成果。上海衛(wèi)星裝備研究所與北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所合作研發(fā)了KM5B大型空間環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)，并已經(jīng)成功完成了多次航天器系統(tǒng)級真空熱試驗[52]。此外，中國科學院空間科學與應用研究中心以及北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所還相繼開展了空間等離子體環(huán)境模擬與試驗技術(shù)的研究[53]。針對大型空間可展開結(jié)構(gòu)，如衛(wèi)星太陽電池陣的空間環(huán)境展開試驗，上海宇航系統(tǒng)工程研究所提出了一種微重力模擬懸吊裝置[54]。但是，我國目前最大的空間環(huán)境模擬器KM8的直徑為17m，難以開展20m 以上規(guī)模的阻力帆裝置的真空展開實驗以及熱循環(huán)實驗。

此外，對于空間輻射環(huán)境的模擬，國內(nèi)研究對象主要集中于空間環(huán)境對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料及系統(tǒng)的影響，對空間可展開薄膜結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究以及地面試驗還比較缺乏。

4 展望及建議

空氣阻力帆技術(shù)非常適用于近地軌道立方星的離軌，但國內(nèi)開展的相關(guān)研究較少，應予以推進，以盡快掌握阻力帆技術(shù)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)。建議從以下4個方面開展研究：

1）結(jié)合非線性動力學和機構(gòu)動力學，深入研究阻力帆展開過程中整體系統(tǒng)的力學問題，如大面質(zhì)比空間柔性帆膜多柔體動力學建模，多柔體系統(tǒng)動力學方程的高效求解等；

2）搭建完善的地面環(huán)境試驗系統(tǒng)，包含能夠模擬火箭發(fā)射過程中的振動環(huán)境試驗，真空、輻射以及高低溫環(huán)境等試驗，以便充分驗證阻力帆裝置的可靠性；

3）制定空氣阻力帆結(jié)構(gòu)的設計指南和相關(guān)技術(shù)手冊；

4）在空氣阻力帆技術(shù)的基礎上，進一步開展其他膜航天器，如太陽帆等的研制等工作。