光帆航天器發(fā)展現(xiàn)狀及“突破攝星”計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)

李志杰 果琳麗 黃江川 張小琳 張柏楠

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

光帆航天器發(fā)展現(xiàn)狀及“突破攝星”計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)

李志杰1果琳麗1黃江川2張小琳2張柏楠1

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

光帆航天器可以借助太陽光，也可以從地基或空基能量站發(fā)出激光對(duì)其加速，與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，光帆推進(jìn)技術(shù)可以使航天器獲得較大的加速度，從而進(jìn)行較遠(yuǎn)空間目的地的探測(cè)活動(dòng)。文章對(duì)國外光帆航天器的發(fā)展現(xiàn)狀及主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)研，重點(diǎn)介紹了“突破攝星”計(jì)劃（Breakthrough Starshot）概況，并對(duì)其重要系統(tǒng)組成及計(jì)劃工程實(shí)施過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后對(duì)“突破攝星”計(jì)劃中可能涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，包括地面大型激光陣列技術(shù)、芯片星器件集成技術(shù)、光帆輕質(zhì)材料技術(shù)、光帆姿態(tài)控制技術(shù)以及深空激光通信技術(shù)。以上研究內(nèi)容可為我國發(fā)展光帆航天器技術(shù)提供參考。

光帆；航天器；“突破攝星”計(jì)劃；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著各國深空探測(cè)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大及探測(cè)活動(dòng)的多樣化，航天器推進(jìn)能量的需求成為限制深空探測(cè)任務(wù)距離的瓶頸，在現(xiàn)有研究的諸多新型推進(jìn)方式中，光壓推進(jìn)作為最實(shí)際且有效的方式之一，是深空探測(cè)研究的焦點(diǎn)［1－2］。太陽帆屬于光帆的一種，能夠利用太陽光壓作用于高反射的薄膜帆面從而產(chǎn)生持續(xù)的加速度，具有無須攜帶推進(jìn)劑和有效負(fù)載大的特點(diǎn)，理論上可以實(shí)現(xiàn)太陽系的深空探測(cè)和星際航行任務(wù)，近年來得到了國際航天界廣泛關(guān)注［3－4］。歐洲開展太陽帆技術(shù)研制較早，于1999年便由多機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了小型太陽帆，并在地面進(jìn)行了模擬展開試驗(yàn)［5］；俄羅斯聯(lián)合美國于2001年7月和2005年6月嘗試發(fā)射宇宙－1（Cosmos－1）太陽帆并計(jì)劃在空間進(jìn)行展開試驗(yàn)，但發(fā)射均告失?。?］；日本于2010年5月利用H2－A火箭發(fā)射了伊卡洛斯（Ikaros）太陽帆，驗(yàn)證了太陽帆在軌展開和關(guān)鍵技術(shù)［7－9］；美國分別于2008年8月利用獵鷹火箭發(fā)射了納帆－D（NanoSail－D）太陽帆和2015年5月利用宇宙神－V（Atlas－V）火箭發(fā)射了光帆－A（LightSail－A）太陽帆，并在NanoSail－D太陽帆基礎(chǔ)上提出了Sunjammer大型太陽帆計(jì)劃［10］。

2016年4月12日，著名天體物理學(xué)家史蒂芬·霍金在紐約發(fā)布微博，宣布將啟動(dòng)“突破攝星”計(jì)劃（Breakthrough Starshot）［11］：建造利用激光進(jìn)行推進(jìn)的星際微型探測(cè)器，預(yù)計(jì)最快用20年抵達(dá)離地球最近的恒星系統(tǒng)——半人馬座－阿爾法星系。該計(jì)劃的核心內(nèi)容包括地面激光推進(jìn)裝置、微型芯片星和光帆，光帆利用太陽光和激光光壓在帆面上產(chǎn)生連續(xù)的加速度，可以帶動(dòng)微型探測(cè)器進(jìn)行星際間的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代航天器無法到達(dá)的地方觀測(cè)星體，突破探索宇宙的視角和方法。

本文對(duì)國外光帆航天器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)“突破攝星”計(jì)劃的重要系統(tǒng)組成及計(jì)劃實(shí)施過程進(jìn)行了介紹，歸納梳理了其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，并給出我國發(fā)展光帆航天器進(jìn)行未來深空探測(cè)活動(dòng)的相關(guān)建議。

2 光帆航天器發(fā)展現(xiàn)狀

太陽帆概念的提出可以追溯到17世紀(jì)，德國的天文學(xué)家開普勒觀察到彗星拖著長長的尾巴，他認(rèn)為這是“太陽微風(fēng)”吹拂所致，并由此設(shè)想借助這一“太陽微風(fēng)”來駕駛帆船遨游太空［12］。1873年，英國的麥克斯韋首次開展了表面反射太陽光子產(chǎn)生微小壓力的試驗(yàn)，這與開普勒提出的“太陽微風(fēng)”有著本質(zhì)的區(qū)別，為現(xiàn)代太陽帆設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)［13］。

目前，開展太陽帆研究項(xiàng)目的機(jī)構(gòu)主要有德國航空航天局（DLR）、歐洲航天局（ESA）、俄羅斯巴巴金空間研究中心、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）、美國航空航天局（NASA）以及美國行星學(xué)會(huì)（TPS）等，但至今只有JAXA的Ikaros太陽帆、NASA的NanoSail－D和LightSail太陽帆成功進(jìn)行了空間飛行試驗(yàn)。

2.1 歐洲D(zhuǎn)LR－ESA太陽帆

早在1999年，ESA聯(lián)合DLR合作開發(fā)了20m× 20m的太陽帆模型，并成功進(jìn)行了地面模擬展開實(shí)驗(yàn)，2009年又進(jìn)行了失重飛行中支撐架的模擬展開試驗(yàn)［5］。如圖1所示，DLR－ESA太陽帆采用了4塊等腰直角三角形的聚合物薄膜和4根14m長的支撐架結(jié)構(gòu)，主要用于對(duì)不同種類聚合物薄膜材料的驗(yàn)證［5］。另外，DLR據(jù)此還規(guī)劃了50m×50m和100m×100m太陽帆的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，但因缺乏經(jīng)費(fèi)支持而進(jìn)展緩慢［14］。

圖1 DLR－ESA太陽帆地面模擬展開實(shí)驗(yàn)Fig.1 Ground expansion test of DLR－ESA solar sail

2.2 俄羅斯Cosmos－1太陽帆

2001年7月，俄羅斯聯(lián)合美國行星學(xué)會(huì)共同研制發(fā)射了Cosmos－1太陽帆航天器，用來在800km軌道以上高度的空間驗(yàn)證如何通過太陽光的光壓作用改變航天器的軌道和速度，并控制其運(yùn)動(dòng)，這是世界上首次嘗試發(fā)射以太陽帆作為航天飛行動(dòng)力裝置的航天器［6］。但由于在發(fā)射后期航天器未能成功與第三級(jí)火箭分離，首次發(fā)射的Cosmos－1最終墜毀；2005年6月，由于運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障，第二顆Cosmos－1太陽帆航天器的發(fā)射也以失敗告終［6］。如圖2所示，Cosmos－1航天器質(zhì)量約110kg，其太陽帆主體由8片14m長的三角形聚脂薄膜構(gòu)成，一旦抵達(dá)軌道，壓縮空氣將被注入太陽帆的管道，并將太陽帆體呈花瓣?duì)钌煺归_，面積達(dá)600m2，太陽光隨即供給光帆提供動(dòng)力。

圖2 Cosmos－1太陽帆展開示意Fig.2 Sketch of Cosmos－1solar sail deployment

2.3 日本Ikaros太陽帆

2010年5月，JAXA利用H－2A運(yùn)載火箭在種子島航天中心成功發(fā)射Ikaros太陽帆航天器，在世界上首次實(shí)現(xiàn)太陽帆的在軌展開和運(yùn)行［7－8，15］。Ikaros太陽帆航天器的總質(zhì)量為307kg，太陽帆質(zhì)量為16kg，薄膜厚度為7.5μm，利用航天器的自旋離心力展開后呈正四邊形，面積為200m2，如圖3所示。此次Ikaros太陽帆航天器的主要任務(wù)包括：①驗(yàn)證太陽帆的自旋離心力展開技術(shù)；②利用太陽帆上薄膜太陽能電池發(fā)電；③利用定軌技術(shù)測(cè)試太陽輻射壓加速；④驗(yàn)證太陽導(dǎo)航和巡航技術(shù)［16］。

圖3 Ikaros模塊分布及展開示意Fig.3 Module distribution and deployment sketch of Ikaros solar sail

2.4 美國NanoSail－D太陽帆

2008年8月，NASA馬歇爾航天中心與艾姆斯研究中心合作研發(fā)了NanoSail－D太陽帆航天器，并利用獵鷹－1火箭發(fā)射，但由于火箭箭體分離故障，發(fā)射遭遇失敗［10］。之后NASA于2010年11月通過衛(wèi)星上裝載的彈射裝置，在近地軌道成功釋放第2顆NanoSail－D并完成了在軌展開，在地球軌道上進(jìn)行了為期240天的測(cè)試［10］。如圖4所示，太陽帆展開后呈正四邊形，帆面展開面積為10m2，展開過程耗時(shí)5s。

圖4 NanoSail－D太陽帆展開示意Fig.4 Sketch of NanoSail－D solar sail

2.5 美國Sunjammer太陽帆

NASA于2011年9月啟動(dòng)了Sunjammer太陽帆項(xiàng)目，旨在對(duì)NanoSail－D的規(guī)模和性能進(jìn)行極大的改進(jìn)，計(jì)劃于2015年1月利用獵鷹－9火箭發(fā)射并飛行300多萬千米［17］。但在經(jīng)歷了4年的研制之后，NASA認(rèn)為項(xiàng)目關(guān)鍵集成上存在較大問題，會(huì)大大增加整個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，于2014年10月宣布取消后續(xù)任務(wù)［18］。如圖5所示，Sunjammer太陽帆薄膜的厚度只有0.005mm，展開面積約為1200m2，為世界上目前設(shè)計(jì)的最大的太陽帆，但折疊之后的體積僅為0.5m3左右，質(zhì)量約30kg。

圖5 Sunjammer巨型太陽帆展開示意Fig.5 Sketch of Sunjammer giant solar sail

2.6 美國LightSail－A太陽帆

2015年5月，美國NASA的LightSail－A太陽帆航天器隨美國空軍X－37B飛行器由Atlas－V火箭一同發(fā)射升空并順利進(jìn)入軌道，用于驗(yàn)證太陽帆在軌展開及控制技術(shù)［19］。航天器在發(fā)射兩天后出現(xiàn)故障，不再向地面發(fā)送數(shù)據(jù)，8天之后，LightSail－A與地球恢復(fù)聯(lián)系并向地球傳回太陽帆展開圖像，如圖6所示，證明此次技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)獲得成功，為NASA后續(xù)計(jì)劃開展的更加雄心勃勃的太陽帆后續(xù)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。LightSail－A太陽帆展開后呈邊長約5.6m的正四邊形，面積約為32m2，質(zhì)量為4.93kg。

圖6 LightSail－A太陽帆展開示意及在軌圖像Fig.6 Sketch of LightSail－A deployment and image on orbit

3 “突破攝星”計(jì)劃概況

與前面所述太陽帆不同的是，“突破攝星”計(jì)劃中的光帆進(jìn)行加速不是利用太陽光，而是利用地面大型激光陣列發(fā)射的激光。因此在計(jì)劃中，整個(gè)大系統(tǒng)主要包括地面激光推進(jìn)裝置和光帆微型探測(cè)器。探測(cè)器將用20年左右的時(shí)間到達(dá)離地球4.37光年的半人馬座—阿爾法星系，并在那里拍攝照片和采集科學(xué)數(shù)據(jù)，通過激光通信把相關(guān)信息傳回地球。之所以把尋找宜居星球的目標(biāo)定為半人馬座－阿爾法星系，是因?yàn)槟抢镉锌赡艽嬖陬惖匦行恰０肴笋R座－阿爾法星系是距離地球最近的恒星系，如果采用現(xiàn)有最快的航天器飛到那里也需花費(fèi)3萬年時(shí)間［11］。

據(jù)“突破攝星”官方網(wǎng)站介紹，該項(xiàng)目將由NASA艾姆斯研究中心前主管皮特·沃登領(lǐng)導(dǎo)，目前已經(jīng)獲得1億美元的研究經(jīng)費(fèi)，研究團(tuán)隊(duì)和投資人當(dāng)中包括不同領(lǐng)域的世界著名科學(xué)家和工程師，包括天體物理學(xué)家史蒂芬·霍金、俄羅斯互聯(lián)網(wǎng)投資公司（DST）總裁尤里·米爾納以及Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格等人［11］。

3.1 地基激光發(fā)射陣列

在未來超遠(yuǎn)距離的空間探測(cè)任務(wù)中，其挑戰(zhàn)是當(dāng)光帆探測(cè)器遠(yuǎn)離太陽時(shí)，光輻射壓就變?nèi)?，前往星際空間的旅行就會(huì)受阻。對(duì)此，“突破攝星”計(jì)劃提出利用激光光壓推進(jìn)來延長探測(cè)器航程的想法很有必要。在計(jì)劃中，大規(guī)模的地基激光推進(jìn)裝置將由范圍幾千米的激光陣列組成（圖7），能夠發(fā)射強(qiáng)大能量的激光并將激光束聚焦在發(fā)射到太空中探測(cè)器的光帆上，為探測(cè)器助力推進(jìn)，將其加速至光速的1/5。在“突破攝星”計(jì)劃中，激光推進(jìn)裝置在每一個(gè)發(fā)射任務(wù)周期需要產(chǎn)生和存儲(chǔ)的能量大約相當(dāng)于幾百萬千瓦時(shí)的電量。

圖7 “突破攝星”計(jì)劃中地基激光發(fā)射陣列設(shè)想Fig.7 Laser light arrays of Breakthrough Starshot project

3.2 光帆微型探測(cè)器

為了彌補(bǔ)星際航行中探測(cè)器由于各種因素的故障或損毀，“突破攝星”計(jì)劃每次任務(wù)將發(fā)射成千上萬個(gè)光帆微型探測(cè)器，這就對(duì)其質(zhì)量、尺寸和成本提出了更高的要求。計(jì)劃中的光帆微型探測(cè)器主要包括微型芯片星和光帆，如圖8所示，尤里·米爾納所展示的芯片星約為一張普通郵票的大小，質(zhì)量約幾克或幾十克，但集成了相機(jī)、光子推動(dòng)器、能源、導(dǎo)航和通信等設(shè)備，屬于一種具有完整空間探測(cè)功能的微型航天器，其制造成本約為一部蘋果手機(jī)［11］；計(jì)劃中的光帆薄膜采用最先進(jìn)的納米技術(shù)使其達(dá)到相當(dāng)于只有幾百個(gè)原子的厚度。另外，與前述利用太陽光光壓驅(qū)動(dòng)的光帆不同，激光束提供的光壓非常大，因此光帆的面積不需要很大，如圖9所示，設(shè)想中的正四邊形光帆展開邊長僅為數(shù)米，質(zhì)量同樣也僅為幾克或幾十克。

圖8 “突破攝星”計(jì)劃芯片星展示Fig.8 Exhibition of starchip in Breakthrough Starshot project

圖9 “突破攝星”計(jì)劃光帆展開示意Fig.9 Sketch of solar sail deployment of Breakthrough Starshot project

3.3 計(jì)劃實(shí)施過程

“突破攝星”整個(gè)計(jì)劃的實(shí)施路線可以劃分為4個(gè)階段，具體如下（圖10）［11］。

（1）在地球上建立范圍為幾千米的大型激光發(fā)射陣列，為了提高激光的效能，需要將地點(diǎn)選在高海拔干燥的平坦區(qū)域，如圖10（a）所示。

（2）從地面發(fā)射“母星”飛到高緯度的近地軌道上，由于在星際航行中可能會(huì)遇到微流星或空間碎片而損失掉部分探測(cè)器，為了提供探測(cè)器冗余備份并提高任務(wù)成功率，“母星”內(nèi)將搭載數(shù)千個(gè)光帆微型探測(cè)器。由于探測(cè)器的光帆面積不是很大，如果運(yùn)載器的體積不受限制，可以采取將每個(gè)光帆探測(cè)器進(jìn)行層疊的方式裝置在“母星”內(nèi)，采取彈射或其它方式從“母星”體內(nèi)發(fā)出，為了保證航向的正確，還需要對(duì)光帆的張開角度和方向進(jìn)行調(diào)整，如圖10（b），（c），（d）所示。

（3）開啟地面激光陣列，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)消除大氣層對(duì)激光光束的干擾，如圖10（e），（f）所示，把激光束聚焦在微型探測(cè)器的光帆上，在幾分鐘內(nèi)將單個(gè)微型探測(cè)器加速到1/5光速。

（4）光帆微型探測(cè)器將花費(fèi)20年的時(shí)間到達(dá)距離地球4.37光年之外的半人馬座－阿爾法星，利用微型探測(cè)器上的激光通信系統(tǒng)將拍攝到的行星圖像和其它科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地球，并利用發(fā)射探測(cè)器所用的激光陣列作為數(shù)據(jù)接收裝置。

圖10 “突破攝星”計(jì)劃實(shí)施過程Fig.10 Execution process of Breakthrough Starshot project

4 “突破攝星”計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)

從“突破攝星”計(jì)劃實(shí)施過程可以看出，這一方案在理論上是完全可行的，但目前在工程實(shí)施上還存在一些關(guān)鍵技術(shù)需要突破，如地基建設(shè)大型激光陣列和激光發(fā)射涉及到的相關(guān)技術(shù)、微型芯片星器件集成技術(shù)、光帆輕質(zhì)材料技術(shù)、光帆姿態(tài)控制技術(shù)及深空激光通信技術(shù)等。

4.1 地面大型激光陣列技術(shù)

“突破攝星”計(jì)劃中提出的在地面高緯度地區(qū)放置范圍幾千千米的激光陣列，通過激光給光帆微型探測(cè)器加速至1/5光速，屬于一種空間定向能推進(jìn)技術(shù)。定向能推進(jìn)是指從地基或空基能量站發(fā)出的激光或微波能射向探測(cè)器并對(duì)其加速，同傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，定向能推進(jìn)可使光帆探測(cè)器獲得較大的加速度。這項(xiàng)技術(shù)的遠(yuǎn)期目標(biāo)是從地面發(fā)射激光使得探測(cè)器實(shí)現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括帶有自適應(yīng)實(shí)時(shí)光學(xué)追蹤的大型地面或空間能量源、陶瓷復(fù)合材料以及冷卻和光學(xué)技術(shù)等，目前國際上這項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)成熟度為2，即形成潛在應(yīng)用和初步的技術(shù)單元概念，但尚未到驗(yàn)證的階段［20］。

4.2 芯片星器件集成技術(shù)

在“突破攝星”計(jì)劃中提到的芯片星具有集成度很高質(zhì)量很輕的特點(diǎn)，因此，芯片星的加工制造必須依靠微型器件集成技術(shù)的發(fā)展［11］，具體包括微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和系統(tǒng)集成芯片（SOC）技術(shù)。

MEMS技術(shù)是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，沿著系統(tǒng)及產(chǎn)品小型化、智能化、集成化的發(fā)展方向，如圖11所示，可以用來批量制作集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)［21］。目前應(yīng)用于航天領(lǐng)域的典型MEMS系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間（MTBF）可達(dá)30萬小時(shí)。以碳化硅為代表的可在高溫環(huán)境下工作的壓力傳感器及高精度光纖傳感器是目前MEMS技術(shù)在航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著新型納米材料制備工藝的進(jìn)步及MEMS技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，具有更小尺寸的納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）將是MEMS技術(shù)的未來發(fā)展方向。

圖11 微型機(jī)電系統(tǒng)示意Fig.11 Sketch of microelectronic mechanical system

SOC本身屬于一個(gè)微電子小型系統(tǒng)，是電子信息系統(tǒng)的集成，它是把模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路甚至器件的設(shè)計(jì)緊密趨勢(shì)與展望結(jié)合起來考慮，在單個(gè)芯片上一次性地實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能。由于SOC技術(shù)能夠滿足航天電子要求的集成化、小型化、高性能、低功耗要求，目前SOC技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天電子系統(tǒng)［22］。近些年來，NASA在這個(gè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)就是SOC技術(shù)的星上應(yīng)用，所涉及的SOC技術(shù)從2008年至今已經(jīng)在陸續(xù)發(fā)射的航天器上進(jìn)行了實(shí)際使用和測(cè)試，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了SOC技術(shù)對(duì)于星載電子設(shè)備小型化的可行性。

4.3 光帆輕質(zhì)材料技術(shù)

光帆薄膜材料對(duì)光帆探測(cè)器總質(zhì)量起著決定性的因素作用，并對(duì)光帆性能產(chǎn)生重大影響。用來制作光帆的材料要求具有質(zhì)量輕、反射性能好、耐高溫和抗老化等特性，能夠使光帆探測(cè)器在空間中長時(shí)間地飛行，目前主要有鍍鋁的聚酯薄膜、有孔的薄鋁網(wǎng)、鍍鋁的聚酰亞銨薄膜和鍍鋁的CP－l膜等，最常用的是鍍鋁的聚酰亞胺薄膜［23］。國外目前在研的新型光帆材料包括美國馬歇爾航天飛行中心研制的一種堅(jiān)固而輕質(zhì)的碳素纖維材料，碳素纖維上面的數(shù)千個(gè)小孔使其質(zhì)量基本與正在接受測(cè)試的最薄光帆的質(zhì)量相當(dāng)。

此外，在《2015年NASA一體化技術(shù)路線圖》報(bào)告中指出，美國在納米材料和納米制造方面的最新進(jìn)展可有效減輕光帆質(zhì)量并提高耐久性和性能［20］。通過使用納米級(jí)材料添加劑（如碳納米管、粘土或石墨烯）可以改善光帆的強(qiáng)度和對(duì)空間環(huán)境的耐受性（原子氧、輻射等）。如靜電紡絲，目前已被證實(shí)可以結(jié)合自適應(yīng)納米復(fù)合材料用來生產(chǎn)具有超輕膜的低密度納米級(jí)纖維氈，以取代光帆所用的傳統(tǒng)聚合物膜，這項(xiàng)技術(shù)有望在未來5年內(nèi)達(dá)到成熟階段［20］。

4.4 光帆姿態(tài)控制技術(shù)

光帆探測(cè)器的軌道控制從本質(zhì)上來說是對(duì)光帆的姿態(tài)控制［24］。這是由其推進(jìn)原理決定的：光帆所受的光壓壓力方向始終垂直于帆面，即推進(jìn)矢量方向與帆面法線方向一致（定義帆面法線方向指向帆的背光面），控制帆面法線的方向即可實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)矢量方向的控制。另外，光壓壓力的大小與光帆的姿態(tài)也有直接的關(guān)系。因此，控制光帆的姿態(tài)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其軌道的控制。光帆的姿態(tài)穩(wěn)定控制有自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定兩種方式［25－26］，自旋穩(wěn)定適用于較為簡單的軌道任務(wù)，光帆指向變化不能很頻繁，帆的形狀多為圓形和直升機(jī)翼形，如圖12（a），（b）所示；三軸穩(wěn)定多用于正方形帆，如圖12（c）所示，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的軌道任務(wù)，對(duì)光指向變化沒有特殊要求，但是控制方法較為復(fù)雜，目前國際上對(duì)此類光帆采取的姿態(tài)控制方法都是利用其自身特點(diǎn)，由光壓力來產(chǎn)生沿某個(gè)軸向的力矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三軸穩(wěn)定控制［27］。按照控制原理可分為三類：質(zhì)心偏移法（如帆面伸展臂上采用質(zhì)心控制滑塊設(shè)計(jì)）、帆面轉(zhuǎn)動(dòng)法（如采用滾轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定機(jī)設(shè)計(jì)）、改變帆面的反射率（如3（a）所示的Ikaros太陽帆植入液晶板設(shè)計(jì)）。

圖12 光帆探測(cè)器的幾種構(gòu)型Fig.12 Various configurations of light sail spacecraft

4.5 深空激光通信技術(shù)

在“突破攝星”計(jì)劃中，光帆微型探測(cè)器在抵達(dá)半人馬座－阿爾法星后需要將數(shù)據(jù)傳回地球，由于距離超遠(yuǎn)且探測(cè)器體積受限，傳統(tǒng)無線電波的通信體制顯然已經(jīng)不再適用。而激光通信具有通信速率高、信息容量大、體積小、功耗低等突出特點(diǎn)，有望解決該計(jì)劃中的深空通信問題。從NASA在20世紀(jì)80年代初期提出用激光進(jìn)行深空通信的設(shè)想到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過了30多年的發(fā)展，系統(tǒng)中的諸多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了突破。目前，國際上已經(jīng)成功開展了多個(gè)鏈路的演示驗(yàn)證，但是與實(shí)際工程應(yīng)用尚有距離。一方面是工程性、成熟度、可靠性還需要進(jìn)一步提高，另一方面是其通信速率尚沒有充分發(fā)揮激光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［28］。

5 結(jié)束語

作為一種利用光壓獲得動(dòng)力進(jìn)行宇宙航行的新型飛行器，光帆航天器已經(jīng)被認(rèn)為是未來星際航行的新希望，而國外對(duì)光帆推進(jìn)技術(shù)的研究，也正由大量的理論分析和論證迅速轉(zhuǎn)化為工程化實(shí)施?！巴黄茢z星”計(jì)劃提出了一種利用光帆微型探測(cè)器探索4.37光年以外目的地的新構(gòu)想，該項(xiàng)目面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)難度較大，但在理論上可實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)國外重點(diǎn)光帆航天器項(xiàng)目和“突破攝星”計(jì)劃作了具體介紹和分析，對(duì)我國開展相關(guān)光帆航天器研究和設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義，為此，提出建議如下。

（1）與國外相比，我國在光帆推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的研究還存在一定的差距，為確保我國在近期和中遠(yuǎn)期的空間利益，應(yīng)盡早從光帆材料、微型芯片星和深空通信等技術(shù)著手，并規(guī)劃光帆航天器地面及在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，從而掌握光帆航天器平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)的核心技術(shù)；

（2）以光帆航天器的創(chuàng)新發(fā)展為借鑒凝聚想象力，積極探索新方法新技術(shù)，以先進(jìn)概念牽引未來航天科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，為我國未來的深空探測(cè)提供全新的航天器平臺(tái)和重要的技術(shù)支撐；

（3）對(duì)于未來深空探測(cè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性項(xiàng)目，應(yīng)加大公眾宣傳力度，整合國內(nèi)外優(yōu)勢(shì)資源并吸引投資，探討商業(yè)合作和國際合作的可能性。

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（編輯：張小琳）

Study on Development Status of Light Sail Spacecraft and Key Technologies of Breakthrough Starshot Project

LI Zhijie1GUO Linli1HUANG Jiangchuan2ZHANG Xiaolin2ZHANG Bainan1
（1Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Light sail spacecraft can be accelerated by sunlight or laser light beamed from ground base or space base.Compared with traditional chemical propulsion，a spacecraft can have huge acceleration by using light sail propulsion technology，thus can achieve to a further destination to carry out exploration activities.This paper studies the development and technical specifications of foreign light sail spacecraft，focusing on the description of Breakthrough Starshot project，with an analysis of significant components of system and implementation process.The key technologies of Breakthrough Starshot project to be solved are also discussed in this paper，such as ground－base arrays of lasers technology，microelectronic components integration technology of starchip，lightweight sail material technology，attitude control technology and deep－space laser communication technology of light sail spacecraft.The research contents mentioned above provide a reference for the future development of light sail spacecraft in our country.

light sail；spacecraft；Breakthrough Starshot project；key technology

V423.9

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.018

2016－06－06；

2016－08－02

李志杰，男，博士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱飨到y(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)。Email：jesselzj@126.com。