可展开太阳帆技术概述

可展开太阳帆技术概述

刘宇艳李学涛杜星文

太阳帆航行的构想和原理

太阳帆以太阳光光压为推进动力，是一种独特的推进方式，它超越了对反应物料的依赖。其工作原理是：利用太阳帆将照射过来的太阳光（光子）反射回去，由于力的作用是相互的，太阳帆在将光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力，从而推动飞船前进。装有太阳帆的航天器不需要火箭，也不需要燃料，只需展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆，即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间，而且只要几何形状和倾角适当，太阳帆可以飞向包括光源在内的任何方向。太阳帆扩大了太空行动的范围，使新的空间探测构想成为可能，而这些构想对于常规推进动力来说是根本不可能的。

我们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。除了由入射光子传送到太阳帆上的动量之外，被反射的光子也在太阳帆上施加了反作用力。因此，通过将入射光子和反射光子产生的力相叠加，则作用在太阳帆上的总力几乎垂直指向它的表面。通过控制相对于太阳位置线的太阳帆方位，太阳帆可以获得或者释放轨道角动量。这样，太阳帆就能够向内或向外螺旋式上升穿越太阳系。

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1m2帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。对于一个典型的太阳帆来说，整个飞行器单位面积上的质量可以从20g/m2（近距离航行）到0.1 g/m2（远距离星际航行）。太阳帆不但要有较小的自身荷载，而且也要具备近乎完美的反射面，才能使转换到太阳帆上的动量几乎是入射光子所传送的动量的两倍。由于单个光子所传送的动量非常小，为了拦截大量的光子，太阳帆必须有一个大的表面积。如果太阳帆的直径为300m，其面积则为70686 m2，由光压获得的推力为340N。根据理论计算，这一推力可使重约0.5t的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000m，它获得的15000N推力就能把重约5t的航天器送到太阳系以外。由于来自太阳的光线提供了无尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以67km/s的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的航天器快4～6倍。

太阳帆航行研究的发展历史和现状

虽然太阳帆航行只是在近年来才被看作是一种实用的航天器推进方法，但是它的基本思想却由来已久。著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。1873年，苏格兰物理学家麦克斯韦从理论上说明了光压的存在。1900年，俄罗斯的物理学家进行了准确的实验，测得了光压的存在。1924年，俄罗斯航天事业的先驱齐奥尔科夫斯其同事桑德明确提出了“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是桑德首先提出了太阳帆——包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

1973年，美国航宇局（NASA）出资资助巴特尔实验室进行太阳帆航行的初步研究。近

年来，NASA发起了一系列利用太阳帆进行太阳物理任务的研究，如太阳帆极地成像仪任务，它利用太阳帆来移出黄道面并进入太阳周围的两极轨道。德国宇航研究院（DLR）和欧洲空间局（ESA）自1998年起与NASA合作，解决太阳帆技术的关键问题，于1999年12月制造出了20m×20m的太阳帆模型，并进行了地面测试，在模拟无重力情况下进行了展开试验。目前，美国国家海洋与大气管理局（NOAA）和美国空军已提出建造用于监视太阳表面活动的太阳帆计划，它将用传统的火箭将太阳帆航天器送到距地球150万千米的地方，在此处太阳的引力与地球的引力相互平衡。此后，航天器将展开一个直径70m的帆面，通过精心选择倾角，展开的帆面即可提供所需的能量，使飞船向太阳方向继续飞行150万千米，并与地球保持同步。在这一有利地点，它能监视干扰卫星和破坏地面电网的太阳磁暴，并在磁暴袭击地球前2小时发出警报，这一时间几乎比目前的预警时间长了一倍。

俄罗斯的“宇宙”1号太阳帆耗资400万美元，由美国太空爱好者成立的私人组织“行星学会”、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年时间联合建造。这次试验不仅是制造全新宇宙飞行器方面的首次尝试，也是由私人投资宇宙开发项目的首次尝试。试验的目的是实际验证能否通过太阳光的作用来改变飞行器的轨道和速度，并控制其运动。该太阳帆主体由8片14m长的三角形聚脂薄膜构成。一旦抵达轨道，航天器就会吹胀帆桅，并将太阳帆伸展开来。帆体像花瓣般撑开后，面积达600多平方米，阳光随即供给光帆动力，将“宇宙”1号由原来的800km的高度推升到更高的轨道上。2005年6月21日，“宇宙”1号在巴伦支海的俄罗斯核潜艇上发射后仅83秒即宣告失败。承担发射任务的俄罗斯军方官员宣布由于火箭推进器出现故障，太阳帆未能进入预定轨道。

目前，美国的戈达德航天飞行中心、喷推实验室、兰利研究中心和马歇尔航天飞行中心等部门都在进行太阳帆项目的研究，为选择太阳帆的制造材料进行了大量测试工作，并探讨了如何发射以及太阳帆在太空中的展开技术等问题。NASA的科学家们称，第一艘飞往太阳系边缘的光帆航天器可在10年内发射，预计2010年成行的太阳帆航天器将历经15年以上的航程，飞行37亿千米直到太阳系边缘。

图 1 “宇宙”1号太阳帆航天器模拟图

图2 NASA设计的正方形太阳帆

图 3 一个尺寸为10m和两个尺寸为2m的太阳帆模型

图4 德国宇航研究院的太阳帆部件展开试验

太阳帆的主要部件及结构形式

太阳帆结构主要由三部分组成，即支撑结构、太阳帆薄膜和包装展开机构。

1、支撑结构

由太阳帆、系链、锚索和杆组成的整个系统需要与太阳帆航天器的核心结构连接在一起。通过使用先进的复合材料和纤维，能够制造出重量很轻的可展开支撑结构。德国宇航研究院设计的太阳帆支撑结构是4根14m长的碳纤维增强复合材料管，厚度小于0.01mm，使用时充气刚化。

2、太阳帆薄膜

单个光子所传送的动量非常小，必须使用大型的太阳帆来拦截大量的光子，以收集足够的能量。为了提高太阳帆航天器的有效荷载能力，要求太阳帆超大、超轻、超薄。选择太阳帆材料时需要考虑空间环境的影响，拉伸使薄膜平整，形成近乎完美的反射面。制备太阳帆薄膜的材料是镀铝的聚酰亚胺或聚脂薄膜，目前最薄的聚酰亚胺薄膜厚度为7.6μm，面密度为11g/m2。

3、包装展开机构

在太阳帆航天器结构的设计中，最有挑战性的问题之一就是如何在发射过程中紧密地包装太阳帆薄膜和支撑结构，然后在轨道上可靠地展开。一般应选择与展开方法一致的包装方案，并要求包装体积最小以及内部没有残存的气体；太阳帆结构中所有元件的展开应该是可控的、稳定的以及对缺陷和小的扰动反应不敏感；分阶段展开，即每个展开阶段的结束时让系统在开始进行下一阶段展开之前达到一个稳定的状态。

4、太阳帆结构

目前已经提出的太阳帆方案从结构来分有三轴稳定的正方形、自旋稳定的直升机式和稳定的圆盘式太阳帆等三种形式。正方形太阳帆使用的是单片或多片薄膜，薄膜通过从中心轴上伸出来的悬臂斜杆来保持拉紧状态。对于大型太阳帆，杆上的弯曲载荷会变得过大，所以必须由撑条来支撑。正方形太阳帆依靠一个刚性结构来提供薄膜边缘处的张力，而直升机式有几个长薄膜叶片，通过旋转来提供张力和自旋稳定。直升机式太阳帆的展开顺序比正方形太阳帆更简单、风险更低。圆盘式太阳帆介于三轴稳定的正方形和自旋稳定的直升机式之间。旋转的圆盘式太阳帆的姿态通过由质心和压力中心偏移引起的扭矩来控制。对于高性能太阳帆的制造来说，自旋圆盘式太阳帆是一个具有吸引力的选择。

图 5 四象限膜的正方形太阳帆

图 6 自旋稳定的直升机式太阳帆

图7 圆盘式太阳帆

太阳帆航行的任务构想

1、太阳系任务

由于内太阳系中太阳辐射压不断增加，太阳帆能够很容易地把有效荷载运送到太阳的近极地轨道。利用太阳帆在太阳系内实施的任务包括发射在高纬度绕地球飞行的商业卫星和一项飞向水星的计划。承担这种任务的帆要求面积更大，密度更低。专家们认为，利用一个边长100m、密度为10g/m2的帆提供动力，即可到达水星，而且速度比用火箭推进更快。如果开发出边长200m、密度为1～5g/m2的帆，许多远距离探测任务将成为可能。如果帆的密度降到15g/m2，阳光在帆上产生的推力即可与太阳的引力相平衡。当航天器到达太阳极地上方时，即可长久地在此观察太阳的活动，这是迄今人类航天器从未到达的地点。如果将多个位于不同高度的航天器拍摄的太阳图像组合起来，就可以获得太阳的立体图形。向外太阳系飞行的主要目标是土星。到达笼罩着一层甲烷的土卫六的太阳帆航天器也有类似的设计要求，它到达那里比火箭推进的探测器所用的时间少得多。如同传统的飞船可以借助行星的引力改变航向并加速一样，太阳帆航天器也可以借助太阳的引力改变航向并通过太阳辐射的推力获得加速。被加速的航天器靠近木星轨道后，太阳的辐射将变得很弱，飞船靠自身的动量继续向太阳系外侧飞行。依靠少量的化学推力，它们会降落在一些我们感兴趣的地方，如人们一直怀疑有一个海洋的土卫二上面等。

2、星际太阳帆航天器

太阳帆的另一项任务是作为星际探测器，首次飞出太阳系，到达离太阳200个天文单位的地方。如要飞向更远的星际空间，就要穿过一个特殊地带。按照爱因斯坦的理论，每一个质量巨大的物体都可以成为一个引力透镜，使其后面的发光体发出的光线发生弯曲。在距太阳550个天文单位的距离，太阳的引力可使从遥远恒星发出的光线汇聚并放大。如果将一个太阳帆动力望远镜放在这一位置，就可以前所未有的清晰度看到遥远的物体，如围绕银河系中心运行的恒星。现在NASA正在考虑星际探索，这是一项研究太阳风顶层边界和星际太空附近环境的任务。这项任务要求在15年的时间内航行超过200个天文单位，甚至到400个天文单位。太阳帆航天器的最后一项任务是星际旅行。宇航专家们预测，未来太阳帆航天器将踏上飞往另一颗恒星的旅程。这将需要边长1000m、密度0.1g/m2的帆。此外，还需要建造一个强力激光器或微波源，为航天器提供辅助能量。航天器将依靠绕地球轨道运行的、比太阳光强6倍的强力激光器和一个置于土星和海王星之间、面积为得克萨斯州大小的巨型聚集透镜提供能量。这样航天器即可在太空以1/10光速的速度飞行，在40年时间内到达距我们最近的阿尔法半人马座恒星。

3、非开普勒轨道

除了行星飞行任务之外，太阳帆能够用于奇异的非开普勒轨道。它可以为太阳等离子风暴到达地球之前提供预警、实现与高纬度地区的连续通信以及连续的实时极地成像等。□