《可展开太阳帆技术概述.docVIP

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，太阳帆将光子推回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力推动飞船前进。宇宙耗资400万美元，由美国太空爱好者成立的私人组织行星会、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。由片14三角形。一旦，帆桅，。6月21日在巴伦支海的俄罗斯核潜艇发射后仅83秒即宣告失败。承担发射任务的俄罗斯军方官员由于火箭推进器出现故障，太阳帆未能进入轨道。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聚酰亚胺 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。□