IKAROS太陽(yáng)帆的關(guān)鍵技術(shù)分析與啟示

沈自才 張帆 趙春晴 劉宇明 丁義剛 牟永強(qiáng)

（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(chǔ)體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難達(dá)到的性能，成為空間研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，其在各類航天器上的應(yīng)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(shì)。

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

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

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

2 國(guó)際太陽(yáng)帆發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代開始，美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)紛紛開展了多次太陽(yáng)帆空間展開試驗(yàn)（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(yáng)帆，成功實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)帆的在軌展開演示，開辟了空間太陽(yáng)光壓推進(jìn)的新時(shí)代。部分太陽(yáng)帆展開示意見圖1［6-7］。

進(jìn)入21世紀(jì)，世界航天大國(guó)進(jìn)一步加大了對(duì)太陽(yáng)帆推進(jìn)的研制，先后于2007年6月和2010年7月在德國(guó)和美國(guó)召開了第一屆和第二屆太陽(yáng)帆國(guó)際論壇［8-9］，對(duì)太陽(yáng)帆的設(shè)計(jì)、制備、展開方式、姿態(tài)控制等進(jìn)行了研討，并計(jì)劃進(jìn)一步開展大量的太陽(yáng)帆在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，具體情況見表2。

表1 國(guó)際太陽(yáng)帆試驗(yàn)的歷史Table 1 History of world solar sail test

圖1 太陽(yáng)帆展開示意圖Fig.1 Sketch of solar sail deployment

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

3日本IKAROS太陽(yáng)帆及其關(guān)鍵技術(shù)

日本的IKAROS是第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆在軌展開且成功飛行的航天器。以下對(duì)其基本概況和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹和分析。

3.1 IKAROS概況

IKAROS于2010年5月21日，利用H-2A 運(yùn)載火箭在種子島航天中心搭載拂曉號(hào)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(yáng)帆，太陽(yáng)帆利用航天器的自旋離心力展開。

IKAROS的設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括以下4個(gè)方面。

1）太陽(yáng)帆的空間展開

利用航天器自旋離心力實(shí)現(xiàn)200m2的四方形太陽(yáng)帆展開，并利用姿態(tài)敏感器和相機(jī)對(duì)太陽(yáng)帆展開過程及展開后的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2）利用太陽(yáng)帆上薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)電

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

3）驗(yàn)證太陽(yáng)帆上的太陽(yáng)輻射壓

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

4）建立太陽(yáng)帆導(dǎo)航和巡航技術(shù)

通過調(diào)整太陽(yáng)帆方向，實(shí)現(xiàn)經(jīng)由太陽(yáng)輻射壓的連續(xù)軌道機(jī)動(dòng)，利用反射控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆姿態(tài)控制。

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

圖2 IKAROS在軌任務(wù)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(jì)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(jìn)等子系統(tǒng)組成，其主要指標(biāo)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(yáng)帆薄膜形狀為四方形（邊長(zhǎng)14m，厚度7.5μm），如圖4所示。

表3 IKAROS航天器主要指標(biāo)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(yáng)帆展開狀態(tài)Fig.4 Deployment state of IKAROS solar sail

太陽(yáng)帆展開結(jié)構(gòu)中只有約80%的面積用于太陽(yáng)帆的光壓推動(dòng)，其余面積則分布著薄膜太陽(yáng)電池、液晶器件和塵埃粒子計(jì)數(shù)器，其中薄膜太陽(yáng)電池為太陽(yáng)帆姿態(tài)控制和通信系統(tǒng)提供能源，液晶器件也通過對(duì)太陽(yáng)光的反射率和透射率的變化實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，塵埃粒子計(jì)數(shù)器則利用壓電元件制成。太陽(yáng)帆不同模塊之間則通過支架連接，而太陽(yáng)帆和主體結(jié)構(gòu)之間則通過系鏈連接，在太陽(yáng)帆的4個(gè)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(yáng)帆模塊分布圖Fig.5 IKAROS solar sail and devices on the sail

圖6 IKAROS太陽(yáng)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(jì)技術(shù)

IKAROS太陽(yáng)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(xué)性能相差較大。因此，針對(duì)太陽(yáng)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(qiáng)處理以防止撕裂。

IKAROS太陽(yáng)帆選用兩種不同的聚酰亞胺薄膜，其性能指標(biāo)見表4，兩種不同聚酰亞胺材料在太陽(yáng)帆上的應(yīng)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(yáng)帆上的應(yīng)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(yáng)帆的在軌展開與美國(guó)的設(shè)計(jì)概念不同，它利用自旋產(chǎn)生的離心力引導(dǎo)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(zhǔn)備第一階段的準(zhǔn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)薄膜四角的完全展開。之后進(jìn)一步激活制動(dòng)器二，解除薄膜限制，開始薄膜的動(dòng)態(tài)展開，隨著自旋速度的進(jìn)一步降低，展開薄膜的振動(dòng)減小，直到完全展開為止。

圖8 IKAROS太陽(yáng)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(yáng)帆巧妙地利用在其上對(duì)稱分布的液晶器件，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆姿態(tài)的控制，其原理如圖9。當(dāng)液晶器件電源開時(shí)，液晶器件將對(duì)入射太陽(yáng)光進(jìn)行鏡面反射，當(dāng)液晶器件電源關(guān)時(shí)，液晶器件將對(duì)入射光進(jìn)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(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)帆的不同位置存在不同的光壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以太陽(yáng)帆中心為支點(diǎn)存在一扭矩。通過控制太陽(yáng)帆不同位置的液晶器件電源狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)帆的姿態(tài)調(diào)控，以使其按照設(shè)計(jì)的路線飛行。

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

4 我國(guó)大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)的研究方向

太陽(yáng)帆可望成為未來空間探測(cè)的重要驅(qū)動(dòng)技術(shù)，尤其是IKAROS成功實(shí)現(xiàn)了世界首次太陽(yáng)帆空間展開和飛行，對(duì)我國(guó)未來大型展開結(jié)構(gòu)的研制和應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

為此，可從以下幾個(gè)方面深入研究。

1）總體設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)，這是由于展開結(jié)構(gòu)本身只是實(shí)現(xiàn)其功能的一部分，如展開式薄膜太陽(yáng)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(cè)、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(jì)工作。以太陽(yáng)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(xiàng)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(gè)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(shí)又要具備一定的功能，如太陽(yáng)帆薄膜的高反射率和較好的力學(xué)性能是材料研發(fā)的根本目標(biāo)；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(jī)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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)幾個(gè)方向的直接延伸，則設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單，但同時(shí)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(duì)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(dá)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(diǎn)。首先，由于膜片的柔性使姿態(tài)調(diào)控變得復(fù)雜，傳統(tǒng)的推進(jìn)扭矩將會(huì)引起膜片的擾動(dòng)；其次，在姿態(tài)控制時(shí)的燃料消耗也要求自旋型需要控制較大的角動(dòng)量。從另一方面，自旋型的姿態(tài)控制相對(duì)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(yùn)行過程中，隨著軌道的變化和相對(duì)太陽(yáng)位置和傾角的變化，為實(shí)現(xiàn)一定的功能，如軌道或電源獲取，需要對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制。若太陽(yáng)帆采用IKAROS模式，則可以通過采用液晶器件實(shí)現(xiàn)不同位置光壓的變化，若采用宇宙1號(hào)葉片式太陽(yáng)帆，則可以通過控制其中某一個(gè)或幾個(gè)葉片相對(duì)太陽(yáng)角度的變化，實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(jì)是密切相關(guān)的。

5）能源供給技術(shù)

能源是實(shí)現(xiàn)通信、姿態(tài)控制、性能監(jiān)測(cè)等的動(dòng)力來源。對(duì)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(yáng)帆為例，不但在太陽(yáng)帆表面分布了部分薄膜太陽(yáng)電池，在中心主體結(jié)構(gòu)的頂端也排布了大量的太陽(yáng)能電池，以滿足航天器在軌運(yùn)行的需要。同樣，如何實(shí)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(yīng)性技術(shù)

大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)在軌運(yùn)行過程中，其材料和器件將面對(duì)嚴(yán)酷的空間環(huán)境，如太陽(yáng)電磁輻射、帶電粒子輻射、高低溫等，這將導(dǎo)致材料與器件的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)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(cè)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(yán)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(yīng)性技術(shù)也是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。

7）地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)展開結(jié)構(gòu)在地面研制及發(fā)射過程各個(gè)環(huán)境的特點(diǎn)，需要開展展開結(jié)構(gòu)的地面存貯、延長(zhǎng)、解壓、振動(dòng)、展開等各項(xiàng)功能試驗(yàn)。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)帆航天器技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，是未來的重要發(fā)展方向。應(yīng)該在進(jìn)一步加強(qiáng)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(yàn)驗(yàn)證技術(shù)及航天器總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，盡快系統(tǒng)開展以太陽(yáng)帆為代表的大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)研制與應(yīng)用。

隨著我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展和深空探測(cè)的逐步推進(jìn)，大型輕質(zhì)展開結(jié)構(gòu)將受到越來越高的重視和應(yīng)用。IKAROS太陽(yáng)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(yīng)用的示范，其設(shè)計(jì)技術(shù)和在軌運(yùn)行控制技術(shù)將對(duì)我國(guó)未來輕型展開結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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