楊文昊（四川大學,成都610041）

中國太陽帆推進技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

楊文昊
（四川大學,成都610041）

摘要：太陽帆推進技術作為一種新型無需消耗化學燃料和工作介質的航天器推進技術，當前已經成為國內外航空研究領域中的熱點。本文樹立梳理了太陽帆推進技術的發(fā)展歷程，結合近年來我國太陽帆推進技術的成果與進展，繼而提出我國未來太陽帆推進技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：太陽帆；航天器；推進技術

1　引言

近年來,我國在航天航空事業(yè)當中取得了驕人成績，“神舟”系列飛船獲得了令人矚目的成功。但需要意識到，航天器發(fā)射重量以及在軌工作壽命在一定程度制約了航天航空技術的發(fā)展。為避免依靠傳統(tǒng)燃料或者工作介質推進航天器,航空研究者們開始嘗試核燃料推進器、電脈沖推進技術等。其中太陽帆推進技術能夠將太陽能這種清潔能源進行利用，受到了很多航天研究者們追捧研究。其最大亮點是不依靠化學燃料和工作介質，直接利用太陽光子在高反射薄膜表面反射產生推力。太陽帆可以替代現(xiàn)有航天器的推進系統(tǒng)，利用太陽光壓持續(xù)加速，獲得數(shù)倍于傳統(tǒng)航天器的速度，對化學燃料的需求很低，且結構簡潔輕便，發(fā)射風險小,能夠實現(xiàn)航天器的長距離空間飛行。太陽帆推進技術對將來的太空任務更便宜和更有效具有極其重要的意義。

2　太陽帆推進技術的研究現(xiàn)狀

早在1873年的時候，Maxwell就已經提出了關于太陽光壓力模型，后來Wie、McInnes等學者都對太陽帆壓力模型進行了研究。在上世紀九十年后，國內外航天技術研究者開始逐漸對太陽帆推進技術展開了多方面研究，并在太陽帆推進技術研究當中獲取到一個不錯成績。其太陽帆推進技術的研究現(xiàn)狀可以分為以下幾個階段：

Maxwell在研究太陽光壓力模型的時候，就提出了關于光的實質為電磁波這一假說，并且也準確了預言光照射到物質表面的時候，能夠對照射表面產生一個壓力作為。這為以后航天研究者研究太陽帆推進技術的時候奠定了理論研究基礎。

為了能夠證實Maxwell的電磁理論所預言光壓現(xiàn)象，俄國物理學家彼得.列別捷夫通過一系列研究，用實驗成功測出了光對固定以及氣體的壓力作用效果，從而也就證實了Maxwell的預言。

人類歷史上首次明確了太陽帆概念是由俄國科學家康奧爾.其奧爾科夫斯基和弗里德里希.燦德爾在1924年的時候提出的。他們認為在航天器的推進結構當中是可以用超薄型的金屬帆膜包裹在輕質硬塑料骨架上。但從那之后，因為缺乏工程技術方面的背景支持，所以太陽帆推進技術曾一度被認為“幻想中的宇航技術”，其研究一度停滯不前。不過在1998年之后，歐洲空間局、德國宇航研究院等航天研究機構展開了關于太陽帆推進技術研究的合作，其在1999年12月的時候進行了太陽帆模型地面展開實驗，這也成為了人類成功研制的第一個實體的太陽帆模型。

近年來，NASA支持的太陽帆研究項目當中在GSFC、JPL、LaRC、MSFC等項目研究當中都是有所涉及到的。其中LaRC的研究工作主要是對太陽帆地面試驗臺、剛性支撐試驗、太陽帆材料的研發(fā)、超輕超薄航天器等方面進行研究；其MSFC空間帆項目是對先進空間運輸計劃、MSFC內部的研究工作等方面進行研究；JPL太陽帆項目是對環(huán)形帆、旋轉太陽帆的研發(fā)、揮發(fā)性膜材料、帆體支撐架等方面進行研究。

3　中國太陽帆推進技術的發(fā)展趨勢研究

通過對太陽帆推進技術現(xiàn)狀進行研究，筆者認為中國在太陽帆推進技術研究當中需要注意到充分吸取國際先進經驗和失敗教訓，并結合先進的理論知識與技術對太陽帆推進技術進行研究。因此筆者認為我國在太陽帆推進的開展當中需要對帆體薄膜研究與工藝、太陽帆的控制方法、測量與試驗技術、帆體的壓縮包裝與展開方案等關鍵技術開展研究，這也將會是太陽帆推進技術的發(fā)展趨勢。

其超薄帆膜技術當中需要對超輕太陽帆材料、薄膜的纖維增強技術、薄膜的激光減薄技術等方面展開研究；其帆體設計當中目前比較流行采用的是四方型帆體設計，其能夠具有受理均勻、帆體變形小、展開方案靈活等優(yōu)點；超輕支撐結構當中主要對重量輕、強度高、彈性好的材料展開研究，而這材料也將會作為太陽帆推進技術研究當中的重要研究內容；當然在對于帆體的壓縮包裝、輕量帆體結構在空間的展開、太陽帆的控制、太陽帆計算模型等方面，其航天研究者在太陽帆推進技術當中都是有所進行研究的。

當然在對于太陽帆推進技術研究當中，是需要對關鍵技術研究進行突破，那么這樣才能夠實現(xiàn)太陽帆技術的工程化。筆者認為在太陽帆推進技術實施工程化當中需要進行如下的循序漸進道路：

（1）考慮到先進性和實用性，筆者認為在太陽帆推進技術研究當中是需要參考國際最流行的四方型基本布局。

（2）在太陽帆選型方案當中首先就應該需要在遠離上解決太陽帆飛行器的軌道控制和姿態(tài)控制方案。

（3）需要對合適的帆體、支撐架材料進行選擇，從而能夠降低太陽帆的制造成本。

（4）對最關鍵的展開方案及對應的支撐架結構和展開機構設計，并且需要充分的論證和試驗。

4　總結

對于比傳統(tǒng)航天器的推進技術，太陽帆推進技術的研究還僅僅只是出于一個初步階段。隨著發(fā)達國家相繼成功發(fā)射了太陽帆航天器，其各國在太陽帆推進技術當中投入了比較多關注。中國對于太陽帆推進技術研究也是在近幾年當中有所收獲，不過也將面臨更多的機遇和挑戰(zhàn)。本文主要是對太陽帆推進技術發(fā)展狀況以及研究現(xiàn)狀展開研究，希望通過這兩方面研究得出我國太陽帆推進的發(fā)展趨勢。

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