太陽(yáng)帆航天器展開(kāi)結(jié)構(gòu)技術(shù)綜述*

霍 倩 饒 哲 周春燕

北京理工大學(xué)宇航學(xué)院飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與控制實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

近年來(lái)，隨著各國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大及探測(cè)活動(dòng)的多樣化，早期的推力發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行時(shí)間、燃料和發(fā)射費(fèi)用等問(wèn)題制約了深空探測(cè)的發(fā)展。因此尋找一種低成本，且能夠使探測(cè)器獲得源源不斷的動(dòng)力的方法，成為人們的夢(mèng)想，太陽(yáng)帆飛行器從理論上解決了這一問(wèn)題。當(dāng)太陽(yáng)光子照射到帆面上時(shí)，會(huì)被反射回去，同時(shí)光子會(huì)對(duì)太陽(yáng)帆產(chǎn)生反作用力[1]，這樣太陽(yáng)帆便會(huì)有源源不斷的動(dòng)力，理論上只要太陽(yáng)帆的形狀和傾角合適，飛行器可以飛向太空中的任意一個(gè)位置,因此太陽(yáng)帆飛行器使得低成本的深空探測(cè)成為可能。

1 可展開(kāi)太陽(yáng)帆的發(fā)展概況

在深空探測(cè)中，利用太陽(yáng)帆作為航天器推進(jìn)動(dòng)力的基本思想由來(lái)已久。早在400多年前，著名的天文學(xué)家開(kāi)普勒就曾經(jīng)設(shè)想僅僅依靠太陽(yáng)光就能使宇宙飛船在太空翱翔。但是直到1924年，才由俄羅斯的兩位科學(xué)家E.Tsiolkovsky 和 Tsander[2]明確提出了“用照射到很薄的巨大反射鏡上的陽(yáng)光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。1973年，美國(guó)宇航局出資資助巴特爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)帆的初步研究。歐洲空間局和德國(guó)宇航研究院合作，于1999年12月研制出20m×20m的太陽(yáng)帆的模型，并在地面上成功進(jìn)行了展開(kāi)試驗(yàn)。1993年，俄羅斯在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究以及地面實(shí)驗(yàn)之后，成功研制了直徑為20m的“Znanya-2號(hào)”空間反射鏡[3]，但是接下來(lái)試驗(yàn)的直徑為25m的“Znanya-2.5號(hào)”的展開(kāi)卻失敗了。

近年來(lái)，隨著人類對(duì)太空探測(cè)范圍的擴(kuò)大，以及微電子技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)方面的發(fā)展，太陽(yáng)帆飛行器成為深空探測(cè)的熱點(diǎn)。2001年美國(guó)行星協(xié)會(huì)發(fā)射了“宇宙1號(hào)”航天器[4]，這是世界上首次使用太陽(yáng)帆作為動(dòng)力裝置的航天飛行器，但是由于航天器沒(méi)有與第三級(jí)火箭分離，導(dǎo)致最終失敗。2005年美俄合作的新的“宇宙1號(hào)”太陽(yáng)帆飛船耗資400萬(wàn)美元，于2005年6月21日從一艘位于巴倫支海的俄羅斯?jié)撏-496上發(fā)射，發(fā)射后與地球失去聯(lián)絡(luò)。行星協(xié)會(huì)在保持一陣沉默后也承認(rèn)這次實(shí)驗(yàn)未能成功將太空船送入軌道。2008年美國(guó)行星學(xué)會(huì)接手了NASA的 “NanoSail-D計(jì)劃”，并搭載“獵鷹號(hào)” (Falcon 1)發(fā)射，由于分離時(shí)出現(xiàn)故障，未能成功到達(dá)預(yù)定軌道。2009年， 美國(guó)行星協(xié)會(huì)啟動(dòng)了“光帆計(jì)劃”，計(jì)劃在2010年發(fā)射“光帆1號(hào)”，目前具體發(fā)射日期還未確定。在2010年5月，日本宇航研究組織JAXA成功發(fā)射世界上第一艘太空帆船太陽(yáng)帆飛船“伊卡洛斯”(Ikaros)號(hào)[5]，并在隨后的半年多時(shí)間成功完成包括利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)加、減速和改變軌道等全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。JAXA還透露，準(zhǔn)備在2018年至2019年間發(fā)射前往木星的太空帆船。同時(shí)，美國(guó)也表示要再次發(fā)射太陽(yáng)帆飛船。此外，歐空局也宣布了自己的相關(guān)計(jì)劃?？梢?jiàn)太陽(yáng)帆飛船的未來(lái)方興未艾。

我國(guó)在太陽(yáng)帆飛行器深空探測(cè)研究方面起步較晚[6]?，F(xiàn)有北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心等單位就太陽(yáng)帆飛行器的軌道控制，姿態(tài)控制問(wèn)題等展開(kāi)了若干應(yīng)用基礎(chǔ)研究[6-11]，但是對(duì)太陽(yáng)帆這類大型空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行自旋展開(kāi)和試驗(yàn)的研究目前尚未開(kāi)展。

2 太陽(yáng)帆展開(kāi)方式的研究現(xiàn)狀

在太陽(yáng)帆航天器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵性的問(wèn)題之一就是在太空中如何展開(kāi)太陽(yáng)帆的帆面。多年來(lái)，已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種不同形狀、結(jié)構(gòu)和用途的太陽(yáng)帆，按照帆面的展開(kāi)方式主要分為2大類：1)由桅桿結(jié)構(gòu)牽引帆面展開(kāi)；2)利用離心力旋轉(zhuǎn)展開(kāi)帆面。

2.1 由桅桿結(jié)構(gòu)拉伸展開(kāi)帆面

由不同的驅(qū)動(dòng)方式可以把桅桿結(jié)構(gòu)展開(kāi)分為以下幾種：

1)充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)。目前此種展開(kāi)方式廣泛應(yīng)用于大型可展開(kāi)結(jié)構(gòu)中[12]。一般情況下，充氣結(jié)構(gòu)在展開(kāi)以后需要對(duì)表面的材料進(jìn)行硬化處理來(lái)保持帆面展開(kāi)后的位形[13-14]。但由于這種展開(kāi)方式對(duì)充氣材料以及充氣后的硬化方式還不是很完善，所以充氣展開(kāi)方式的發(fā)展受到了一定的限制[15-17]。

到目前為止，許多國(guó)家都已經(jīng)對(duì)充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)做了大量工作，1996年5月美國(guó)宇航局成功進(jìn)行了充氣天線軌道釋放實(shí)驗(yàn)[18-19]。美俄合作研制的“宇宙一號(hào)”太陽(yáng)帆[20]于2005年6月發(fā)射(如圖1所示)，但由于火箭推進(jìn)器出現(xiàn)故障導(dǎo)致發(fā)射失敗。

圖1 宇宙一號(hào)太陽(yáng)帆展開(kāi)過(guò)程示意圖

2)機(jī)械展開(kāi)結(jié)構(gòu)[21]。這種展開(kāi)方式常用于大口徑的環(huán)形天線的展開(kāi)，已經(jīng)有較成熟的技術(shù)。在這種結(jié)構(gòu)中，桅桿是一個(gè)可展開(kāi)的機(jī)械系統(tǒng)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，沿著支撐結(jié)構(gòu)能夠帶動(dòng)帆體到達(dá)指定的位置。

3)彈性展開(kāi)結(jié)構(gòu)。初始狀態(tài)下桅桿繞在中心鼓輪上，在彈性力的作用下，桅桿和太陽(yáng)帆同時(shí)展開(kāi)，但是這種展開(kāi)方式的缺點(diǎn)是無(wú)法調(diào)整帆體最終的位形。

例如，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室研究了利用彈性力展開(kāi)小型太陽(yáng)帆模型[22]，目的是為將來(lái)一些小衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整提供推進(jìn)力。圖2(a)中初始狀態(tài)小型太陽(yáng)帆的桅桿纏繞在中心鼓輪外側(cè)，展開(kāi)過(guò)程中利用彈性力通過(guò)桅桿帶動(dòng)薄膜展開(kāi)，除了中心桅桿保持展開(kāi)后的形狀外，在太陽(yáng)帆的四周也有類似于桅桿的結(jié)構(gòu)。該展開(kāi)方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要人為加入驅(qū)動(dòng)力，減少模型的復(fù)雜性。

圖2 利用彈性力展開(kāi)示意

2.2 自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)

自旋展開(kāi)技術(shù)的原理是由自旋所產(chǎn)生的離心力甩開(kāi)折疊的薄膜，并保持展開(kāi)后的位形。這種展開(kāi)方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)保持展開(kāi)后的位形，進(jìn)而減少了結(jié)構(gòu)重量，降低展開(kāi)能耗。因此這種方式在太陽(yáng)帆航天器中得到了廣泛的應(yīng)用。

上個(gè)世紀(jì)60年代Schuerch，Macneal，Hedgepeth等美國(guó)學(xué)者對(duì)自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)的探索[23-25]，基本屬于機(jī)構(gòu)學(xué)的研究范疇。例如：Macneal和Hedgepeth仿照直升機(jī)懸翼系統(tǒng)提出了螺旋陀螺太陽(yáng)帆概念，采用柔性可伸展的轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)成太陽(yáng)帆[24-25]。此后美國(guó)航天界對(duì)大口徑拋物面反射望遠(yuǎn)鏡(LOFT)的可行性研究促進(jìn)了對(duì)結(jié)構(gòu)自旋展開(kāi)過(guò)程的研究。

1993年俄羅斯所研制的“Znamya 2號(hào)”[3]利用自旋展開(kāi)技術(shù)在太空中展開(kāi)，該太陽(yáng)帆由8片扇面組成反射面，每個(gè)扇面的折疊方式如圖3(a)所示，8片扇面初始狀態(tài)下順序的纏繞在中心鼓輪外側(cè)，隨后在離心力的作用下，薄膜逐步展開(kāi)。圖3(b)所示為帆面完全展開(kāi)后的模型圖。

圖3 Znamya2號(hào)展開(kāi)示意

2010年5月21日，日本宇航局成功發(fā)射了伊卡洛斯號(hào)太陽(yáng)帆，隨后太陽(yáng)帆在太空中成功展開(kāi)。伊卡洛斯號(hào)擁有一面對(duì)角線長(zhǎng)為20m的方形帆，由聚酰亞胺樹脂材料制成，柔韌性非常好，厚度僅為0.0075mm，相當(dāng)于人類發(fā)絲的幾分之一。圖4所示為太陽(yáng)帆在太空中展開(kāi)過(guò)程模擬圖。首先在離心力的作用下，4根輻條繞著中心鼓輪展開(kāi)，然后在輻條完全伸展開(kāi)后，薄膜的帆面開(kāi)始旋轉(zhuǎn)打開(kāi)。

圖4 伊卡洛斯號(hào)太陽(yáng)帆展開(kāi)示意

通過(guò)已有的研究可以看出自旋展開(kāi)和穩(wěn)定技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)[26]：1)自旋離心力可以提供結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剛度，使結(jié)構(gòu)可采用輕質(zhì)柔性材料制成；2)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方法即可以獲得穩(wěn)定的展開(kāi)；3)自旋展開(kāi)控制可快可慢，從而適用于多種任務(wù)。

3 自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)中薄膜的折疊方式

在大型結(jié)構(gòu)的空間自旋展開(kāi)實(shí)驗(yàn)中，不同的折疊方式?jīng)Q定了太陽(yáng)帆的展開(kāi)方式。薄膜的折疊方式是其關(guān)鍵問(wèn)題之一。在已有的各國(guó)實(shí)驗(yàn)研究中，有多種不同的折疊方式，例如Miura-Ori[27-28]法折疊、傾斜旋轉(zhuǎn)折疊法，以及伊卡洛斯號(hào)折疊法等(如圖5所示)。其中Miura-Ori 法折疊方式廣泛應(yīng)用于二維展開(kāi)方式太陽(yáng)帆的折疊。Furuyad 等[29-31]提出太陽(yáng)帆的傾斜旋轉(zhuǎn)折疊方法，并通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫骝?yàn)證了這種折疊方法的可行性。

(a) Miura-Ori 法折疊

(b) 傾斜旋轉(zhuǎn)折疊法

(c) 伊卡洛斯號(hào)折疊法圖5 幾種薄膜折疊方式

在太陽(yáng)帆實(shí)驗(yàn)中，選擇折疊方式主要從以下幾方面考慮：1)折疊方式對(duì)展開(kāi)過(guò)程的影響，要使帆面的展開(kāi)過(guò)程對(duì)飛船產(chǎn)生較小的沖擊作用；2)薄膜折疊時(shí)的形狀和體積，占用較小的存儲(chǔ)空間，減小飛船的體積，降低發(fā)射成本；3)對(duì)于大面積超輕薄膜折疊方式的可實(shí)現(xiàn)性。

由圖5可以看出，Miura-Ori 法折疊方式比較適合由桅桿拉伸展開(kāi)的太陽(yáng)帆，傾斜旋轉(zhuǎn)折疊方式與伊卡洛斯號(hào)折疊方式比較類似，但是傾斜折疊方式的折疊過(guò)程要更復(fù)雜一些，而且經(jīng)過(guò)用紙張折疊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傾斜旋轉(zhuǎn)折疊方式的展開(kāi)過(guò)程速度較快，不易控制帆面的展開(kāi)。因此，由以上分析可以得出，對(duì)于自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)“伊卡洛斯”號(hào)的折疊方式優(yōu)于前兩種折疊方式。

4 薄膜材料的選擇

考慮到星際宇航的時(shí)間，太陽(yáng)帆所使用的材料的面密度應(yīng)該是在0.1～20g/m2范圍內(nèi)。目前最薄的商業(yè)可用的聚酰亞胺薄膜厚度為7.5μm，面密度為11 g/m2。1998年，Gershman和Seybold 指出面密度為10 g/m2比較合適探測(cè)水星及其太陽(yáng)與地球之間的行星。進(jìn)行復(fù)雜的探測(cè)任務(wù)則需要面密度為3 g/m2在非開(kāi)普勒軌道上運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光子驅(qū)動(dòng)，中心鼓輪、彈性輻條等機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的重量必須超輕(例如NASA試圖達(dá)到輻條單位長(zhǎng)度重量為60g/m，DLR擬采用厚度僅為0.01mm的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管)，因此太陽(yáng)帆的實(shí)現(xiàn)技術(shù)上最大的挑戰(zhàn)是制造出厚度僅為幾個(gè)μm的薄膜材料而且要求彈性韌性好、按照預(yù)期設(shè)計(jì)在太空中展開(kāi)，以及在展開(kāi)過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)帆和探測(cè)器姿態(tài)實(shí)行有效的控制。

2010年5月日本宇航局發(fā)射“伊卡洛斯號(hào)”太陽(yáng)帆，其帆面材料即厚度僅為0.0075mm的聚酰亞胺薄膜材料。這種大面積的超輕薄膜展開(kāi)后只要表面足夠光滑平整，就能使太陽(yáng)帆的動(dòng)量達(dá)到最大化。

5 自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)地面實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)太陽(yáng)帆飛行器的研究起步較晚，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)展若干應(yīng)用基礎(chǔ)研究的太陽(yáng)帆飛行器的軌道控制以及姿態(tài)控制，但是到目前為止還未見(jiàn)對(duì)太陽(yáng)帆自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)的地面實(shí)驗(yàn)，可見(jiàn)日本宇航局在2009年用氣球?qū)嶒?yàn)機(jī)構(gòu)在高空展開(kāi)大型的薄膜結(jié)構(gòu)。

為了減小空氣阻力對(duì)薄膜展開(kāi)機(jī)構(gòu)的影響，氣球機(jī)構(gòu)使自旋展開(kāi)系統(tǒng)在高為40km的空中進(jìn)行展開(kāi)實(shí)驗(yàn)(如圖6所示)。頂部的相機(jī)能夠拍攝整個(gè)薄膜的運(yùn)動(dòng)情況。

圖6 氣球?qū)嶒?yàn)機(jī)構(gòu)

在自旋展開(kāi)結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)研究中，如何抵消重力和空氣阻力的作用，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是我們所研究的關(guān)鍵問(wèn)題。下一步將在真空艙中進(jìn)行小型的帆面試驗(yàn)，對(duì)理論模型中薄膜的纏繞預(yù)測(cè)和控制進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題修正理論模型。另一方面，將對(duì)控制方法進(jìn)行研究，對(duì)自旋展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，抑制薄膜的面外運(yùn)動(dòng)，消除薄膜纏繞，使薄膜能夠平穩(wěn)的展開(kāi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著新世紀(jì)的到來(lái)，各國(guó)航天科技界日益關(guān)注對(duì)行星探測(cè)頗具前景的太陽(yáng)帆航天器，國(guó)外已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)帆技術(shù)進(jìn)行深入的研究，美國(guó)、俄羅斯和日本等在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面都已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)只對(duì)太陽(yáng)帆航天器的軌道控制、姿態(tài)控制等問(wèn)題展開(kāi)了一些應(yīng)用基礎(chǔ)研究，而空間結(jié)構(gòu)的自旋展開(kāi)和控制是太陽(yáng)帆等大型空間結(jié)構(gòu)所涉及的關(guān)鍵問(wèn)題之一，有待深入研究。

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