深空探测太阳帆推进技术

本书概述了主带小行星探测任务对象和太阳帆推进技术进展；建立了考虑薄膜形状的光压力模型、光压力与结构之间的静动力学分析模型、结构姿态轨道耦合的动力学模型，并开展了仿真分析；以2020年前后在7年时间内探测至少3颗主带小行星为主要任务目标，开展了目标选择优化方法研究、轨道设计方法研究、以及姿态轨道耦合控制方法研究；从结构构型、支撑臂、帆面、折展、支撑包装结构等多个太阳帆特有系统上进行了设计技术研究；针对收纳半径最小、收纳体积最小、展开顺利无遮挡，在功能完整的基础上结构、机构尽量简单的设计要求，开展了地面折叠展开原理样机设计及研制，并对研制的地面原理样机进行地面测试和试验，验证原理样机的折叠展开方案，得到了缩比样机在地面环境下的力学特征参数，为太阳帆结构的优化设计提供了依据。

刘字飞

博士，高级工程师，在中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室开展空间太阳能电站、深空太阳帆等超大尺度空间系统构建与应用研究。担任航天五院科技委专家、宇航学会

太阳能电站专委会委员、军科委基础加强评审专家。承担和参与了深空探测民“863”重大课题、民用航天重大背景课题、自然基金重点项目、军科委基础加强项目等数十项课题研究工作。授权发明专利10余项，在航天领域顶级期刊发表各类论文数十篇。

成正爱

硕士，高级工程师，在钱学森空间技术实验室开展空间太阳能电站对接组装方案设计与优化，太阳帆展开结构设计及超高速碰撞仿真等研究。担任航天五院空间太阳能电站专业

组成员，宇航学会空间太阳能电站专业委员会学术秘书。承担和参与了民用航天重大背景课题、国家自然基金项目等十余项课题研究工作。

授权专利10余项，发表各类论文30余篇。

  快速、高效、低成本、低风险、高生存能力是21世纪航天技术发展要达到的重要目标。而现代飞行器越来越受到了化学燃料火箭能量和其能携带的燃料质量的制约，如燃料在航天飞机起飞时的质量占比接近95%；而为了深空探测的距离更远和更长期在轨完成更多的空间任务，飞行器的质量也随着增大，这就必然需要携带更多的燃料并付出更加高昂的代价，如2003年6月2日欧洲发射的火星探测器“火星快车”质量达2l，耗资3亿欧元。为了克服这些缺点，许多新型高效的发动机如核子火箭发动机、电火箭发动机和离子火箭发动机等已经出现并应用于空间飞行任务，但它们都不能摆脱燃料的束缚，飞行器寿命仍受制于所携带的燃料的多少。

  为了摆脱庞大的运载工具，且能使航天器携带更多的载荷，达到“更快、更廉价、更好”的目标，一种新型的航天器——太阳帆航天器近年来受到国内外航天界的广泛关注。太阳帆航天器依靠面积巨大但质量很小的太阳帆反射太阳光获得源源不断的推力，是唯一不依靠反作用推进实现飞行控制的飞行器，它不需消耗燃料，在太空中的寿命不受有限燃料的制约；高性能材料的采用使其结构质量很小，可大大减小发射质量，从而使发射费用更低。利用太阳光压的连续加速度，经过长时间加速，太阳帆航天器可以以93km/s的速度前进，这个速度比当今火箭推进的最快航天器快4~6倍。

  太阳光产生的压力很小，理想情况下全反射时在1AU处每平方米可产生大约9uN的压力。为了获得大的推力，太阳帆航天器需要有很大的反射面；而为了获得更大的加速度，太阳帆航天器质量必须非常小。通过控制太阳帆与太阳光线的夹角，可以使太阳帆航天器向太阳系中心或远离太阳系飞行。

  太阳帆航天器是唯一的不依赖于反作用质量的飞行器，它可以适应各种任务，如星际探测、取样返回、太阳极点观测等，高性能的太阳帆也可完成过去一些无法实施的任务，如沿非开普勒轨道绕地球或太阳运行，或发射有商业价值的极地通信卫星。从现代航天器无法到达的地方观测星体，增加了探测宇宙的视角与方法，在空间平台任务中有着一定的应用前景。因此太阳帆航天器必将对空间平台任务产生深远的影响。

  本章主要概述主带小行星探测任务对象和太阳帆推进技术进展，既为读者提供概念认知，也为后续章节提供研究对象。首先介绍在小行星探测领域的国内外主要进展，进而针对主带小行星探测任务，描述其探测意义、目标选择以及有效载荷建议。接下来主要介绍利用太阳帆推进技术的特点和近期发展情况。

1.1利用太阳帆开展主带小行星探测概述

1.1.1 小行星探测国内外发展现状

  在20世纪90年代以前，人们主要通过地面天文观测研究小行星，同时还对陨落到地面的小行星碎片进行研究，从而得到小行星物质组成和化学成分。随着人类深空探索的深入，国外对小行星的探测日益增多。美国、欧洲和日本先后发射了多颗小行星探测器，有的实现了小行星表面物质的取样返回。我国也通过探月任务实现了小行星飞越探测任务。

1.美国（NASA）主要探测史

  美国于1996年2月发射的近地小行星交会（NEAR）探测器（此为美国“发现”计划实施的深空探测飞行之一），于1997年6月27日从253号小行星马蒂尔达近旁飞过，拍摄了多张图像，最后于2001年2月成功地在433号小行星爱神上着陆。

  1998年10月发射的“深空一号”小型探测器，除试验若干新技术之外，对1992KD小行星的探测也是其飞行任务的主要目的之一。

  1999年2月，彗星探测器“星尘”在美国的佛罗里达州发射升空，预计在2004年1月飞到怀尔德2彗星采集尘埃并送回地球。

  2006年1月发射的“新地平线”探测器，除了探测冥王星及其卫星外，还将探测Kuiper带的冰冻小行星。

本书作者团队在科工局民用航天、国家基金委等多个项目的支持下，持续关注深空探测太阳帆推进任务，在多个协作单位的支持下，从总体层面对大型太阳帆的各项关键技术进行了初步探索，取得了一定的成果。主要包括：概述了主带小行星探测任务对象和太阳帆推进技术进展。建立了考虑薄膜形状的光压力模型，光压力与结构之间的静动力学分析模型，结构姿态轨道耦合的动力学模型，并开展了仿真分析。以2020年前后在7年时间内探测至少3颗主带小行星为主要任务目标，开展了目标选择优化方法研究，轨道设计方法研究，以及姿态轨道耦合控制方法研究。从结构构型、支撑臂、帆面、折展、支撑包装结构等多个太阳帆特有系统上进行了设计技术研究。针对收纳半径最小、收纳体积最小、展开顺利无遮挡，在功能完整的基础上结构、机构尽量简单的设计要求，开展地面折叠展开原理样机设计及研制，并对研制的地面原理样机开展地面测试和试验，验证原理样机的折叠展开方案，得到缩比样机在地面环境下的力学特征参数，为太阳帆结构的优化设计提供了依据。本书的主要目的是为各位同领域的研究者展示团队的研究思路和研究成果。读者对象是对航空航天领域感兴趣的群体，进入课题研究阶段需要了解课题研究对象和方法的本硕博学生群体；开展太阳帆推进技术以及类似技术领域研究的学者等。