【技术干货】一文了解美国宇航局的先进复合材料太阳帆系统
摘 要
近年来当太阳能飞机、临近空间太阳能无人机相继研发成功后，借助太阳能实现高空飞行备受关注；2019年，美国宇航局（NASA）和欧洲航天局公布了其正在开发一种先进的复合材料太阳帆系统，它的目的是使用传统的太阳能替代传统的火箭推进剂，在低地球轨道上来推动航天器的运行。
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长期以来，太空探索任务受到最先进的化学火箭发动机的性能以及航天器必须携带一定燃料量等因素限制，其中航天器携带的燃料量可能占航天器发射重量的25％。近日，美国宇航局和欧洲航天局的研究人员正在开发一种关键的太空推进技术，该技术可以用取之不尽的自然资源——太阳能来代替传统的化学燃料，太阳能航行发展史如图1所示。
图1 太阳能航行的发展史
使用太阳帆推进可以使航天器在战斗中具有更大的机动性和多功能性，并为探索打开太阳系的新区域。该技术使用太阳光子，这些光子是由巨型反射镜状帆反射的，该帆由重量轻、反射性材料制成，厚度比书写纸薄40至100倍。连续的光子压力会提供足够的推力来执行操纵，这对于常规火箭系统而言将需要过多的推进剂。太阳提供了必要的推进能量，从而消除了对船上推进剂的需求并减少了有效载荷的质量。
在2019年，行星学会推出了带有镀铝的Mylar帆的LightSail 2。该船是继日本的IKAROS发射后，第一架使用太阳航行在地球轨道上推进的航天器，第一艘展示太阳航行的小型航天器和第二艘成功航行的太阳帆航天器。
图2 SAIL部署序列中的LIGHTSAIL 2：该图像是在2019年7月23日 11:48LightSail 2帆部署过程中拍摄的
美国宇航局正在开发新的可展开结构和材料技术，用于未来的低成本深空任务的太阳帆推进系统。太阳帆不再需要传统的火箭推进剂，而是依靠太阳光的压力来产生持续的推力。它们可以无限期运行，仅受太阳帆材料和航天器电子器件的空间环境耐久性的限制系统。
美国宇航局位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心和加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心，研究人员和工程师们正在计划一项任务，演示用于小型行星际飞船的下一代太阳帆技术。
作为这项开发工作的一部分，先进复合太阳帆系统（ACS3）将演示在近地轨道部署一个大约800平方英尺（74平方米）的复合材料吊杆（桅杆）太阳帆系统。这将是首次在轨道上使用复合材料吊杆以及帆包装和展开系统。同样为ACS3开发的是一个创新的磁带卷轴吊杆提取系统，以尽量减少卷曲吊杆在展开过程中的开花或堵塞。
ACS3任务将成为未来5382平方英尺（500平方米）复合材料小型航天器太阳帆系统的技术探索者，适用于低成本太阳物理研究和小天体行星科学。太阳帆系统也可以作为支持载人航天任务的通信中继站。
由于太阳辐射压力非常小，实际的太阳帆必须非常大，重量轻，并且非常紧凑，以装载在立方体卫星和小卫星有效载荷体积内。ACS3太阳帆系统的尺寸适合12单位（12U）立方卫星（图3）。
图3 ACS3太阳帆系统在发射时可安装在一个12U立方体卫星上。摄像机将记录太阳帆展开和最终形状的图像，以便在地面上进行分析
太阳帆由四个215平方英尺（20平方米）的三角形镀铝塑料薄膜帆组成，由四个约21英尺长（6.5米）的可折叠薄复合材料吊杆支撑（图4）。薄复合材料吊杆被压平并卷绕到卷轴上，以便在航天器内进行紧凑的装载。这些吊杆坚固轻便，重量轻75%，空间热变形比目前最先进的金属吊杆小100倍。金属可展开吊杆的热变形是一个特别困难的问题，它可以在天线和反射器、太阳能阵列和太阳帆的形状上产生不必要的弯曲。
ACS3太阳帆将在近地轨道进行部署和测试。在飞行演示过程中，太阳帆将与地球轨道平面保持一致，以尽量减少空气动力阻力，并最大限度地延长在轨时间。一套机载数码相机将在展开期间和之后获取帆的图像，这些图像将传输到地面，供太阳帆结构和材料小组使用，以评估部署的太阳帆和复合材料吊杆的形状和精度。
在为期5个月的ACS3任务结束后，太阳帆将转向美国国家航空航天局航空航天局研究中心，以最大限度地提高空气动力阻力并尽快使飞行器脱离轨道。收集到的ACS3飞行数据将用于设计基于ACS3的未来更大规模的复合太阳帆系统技术。
除了使太空探索任务受益外，太阳帆技术还可用于先进的太空天气预警系统中，以更迅速、更准确地向地球上的卫星运营商和公用事业机构警告日冕物质从太阳中喷出引起的地磁风暴。NASA的研究人员认为，该技术还可以帮助清除环绕在地球上的数千块轨道碎片，执行空间站维护任务或在高纬度上盘旋以进行通信和观察。
ACS3项目由空间技术任务理事会（STMD）内的小型航天器技术（SST）项目管理和资助。ACS3的复合材料动臂技术是在STMD改变游戏规则的开发（GCD）计划下开发的。SST通过快速开发和空间演示，扩展了美国执行独特任务的能力，适用于探索、科学和通信及商业空间部门的小型航天器的能力。SST将通过使用小型航天器实现新的任务架构，目标是扩大其到达新的目的地，并挑战新的环境。