太阳帆航天器展开结构技术综述_霍倩

大型空间结构进行自旋展开和试验的研究目前尚未 开展。
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航
天
控
制
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的带动下， 沿着支撑结构能够带动帆体到达指定的 位置。 3 ） 弹性展开结构。 初始状态下桅杆绕在中心 在弹性力的作用下， 桅杆和太阳帆同时展 鼓轮上， 开， 但是这种展开方式的缺点是无法调整帆体最终 的位形。 例如， 美国空军实验室研究了利用弹性力展开
［24 － 25 ］
。 此后
美国航天界对大口径抛物面反射望远镜 （ LOFT ） 的 可行性研究促进了对结构自旋展开过程的研究 。 1993 年俄罗斯所研制的“Znamya 2 号 ” 利用 自旋展开技术在太空中展开， 该太阳帆由 8 片扇面 8 组成反射面， 每个扇面的折叠方式如图 3 （ a ） 所示， 片扇面初始状态下顺序的缠绕在中心鼓轮外侧 ， 随 后在离心力的作用下， 薄膜逐步展开。图 3 （ b ） 所示 为帆面完全展开后的模型图。
［18 － 19］ 。美俄合作研 行了充 气 天 线 轨 道 释 放 实 验 ［20］ 制的“宇 宙 一 号 ” 太阳帆 于 2005 年 6 月 发 射 （ 如图 1 所示 ） ， 但由 于 火 箭 推 进 器 出 现 故 障 导 致
器没有与第三级火箭分离， 导致最终失败。2005 年 美俄合作的新的“宇宙 1 号 ” 太阳帆飞船耗资 400 万美元， 于 2005 年 6 月 21 日从一艘位于巴伦支海 发射后与地球失去 的俄罗斯潜艇 K － 496 上发射， 联络。行星协会在保持一阵沉默后也承认这次实验 未能成功将太空船送入轨道。2008 年美国行星学 ， “猎 会接手了 NASA 的 “NanoSail － D 计划” 并搭载 鹰号”（ Falcon 1 ） 发射， 由于分离时出现故障， 未能 成功到达预定轨道。2009 年， 美国行星协会启动了 “光帆计划” ， “光帆 1 号 ” ， 计划在 2010 年发射 目前 具体发射日期还未确定。在 2010 年 5 月， 日本宇航 JAXA 研究组织 成功发射世界上第一艘太空帆船太 “伊卡洛斯 ” （ Ikaros ） 号［5］， 阳帆飞船 并在随后的半 年多时间成功完成包括利用太阳光实现加 、 减速和 改变轨道等全部实验项目。 JAXA 还透露， 准备在 2018 年至 2019 年间发射前往木星的太空帆船。 同 时， 美国也表示要再次发射太阳帆飞船 。此外， 欧空 局也宣布了自己的相关计划。可见太阳帆飞船的未 来方兴未艾。 晚
［4 ］ “宇宙 1 号” 发射了 航天器 ， 这是世界上首次使用 太阳帆作为动力装置的航天飞行器， 但是由于航天 ［3 ］
在太阳帆 航 天 器 的 结 构 设 计 中 ， 关键性的问 题之一就是在太空中如何展开太阳帆的帆面 。 多 年来 ， 已经设计出多种不同形状 、 结构和用途的太 阳帆 ， 按照帆面的展开方式主要分为 2 大类 ： 1 ） 由 桅杆结构牵引帆面展开 ； 2 ） 利用离 心 力 旋 转 展 开 帆面 。 2． 1 由桅杆结构拉伸展开帆面 由不同的驱动方式可以把桅杆结构展开分为以 下几种： 1 ） 充气展开结构。 目前此种展开方式广泛应 ［12 ］ 用于大型可展开结构中 。一般情况下， 充气结构 在展开以后需要对表面的材料进行硬化处理来保持 ［13 － 14 ］ 。 但由于这种展开方式对 帆面展开后的位形 充气材料以及充气后的硬化方式还不是很完善 ， 所 ［15 － 17 ］ 。 以充气展开方式的发展受到了一定的限制 到目前为 止 ， 许多国家都已经对充气展开结 1996 年 5 月美国宇航局成功进 构做了大量工作 ，
tion of explorations is possible due to the emergence of a solar sail． The spin structure is focused because of less weight，low energy consumption and other advantages． In this paper，the development situation of the solar sail is summarized． Particularly，the membrane folding ways of the Spindeployment structure，membrane material selection and the current situation of the ground test of spin deployable structure research are summarized． Key words Solar sail； Spinning deployment； Large membrane； Deployment system 只要太阳帆的形状和倾角合适， 飞行器可以飞向太 空中的任意一个位置， 因此太阳帆飞行器使得低成 本的深空探测成为可能。
2． 2
自旋展开结构 自旋展开技术的原理是由自旋所产生的离心
力甩开折 叠 的 薄 膜 ， 并 保 持 展 开 后 的 位 形。 这 种 展开方式的优点是不需要额外的支撑结构来保持 展开后的位形 ， 进而减少了结构重量 ， 降低展开能 耗 。 因此这种方式在太阳帆航天器中得到了广泛 的应用 。 Macneal， Hedgepeth 上个世纪 60 年代 Schuerch， ［23 － 25 ］ ， 等美国学者对自旋展开结构的探索 基本属于 机构学的研究范畴。 例如： Macneal 和 Hedgepeth 仿 照直升机悬翼系统提出了螺旋陀螺太阳帆概念 ， 采 用柔性可伸展的转子叶片构成太阳帆
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第2 期
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倩等： 太阳帆航天器展开结构技术综述
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天文学家开普勒就曾经设想仅仅依靠太阳光就能使 才由俄罗 宇宙飞船在太空翱翔。但是直到 1924 年，
［2 ］ 斯的两位科学家 E． Tsiolkovsky 和 Tsander 明确提 “用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生 出了
， 目的是为将来一些小卫星的姿 态调整提供推进力。 图 2 （ a ） 中初始状态小型太阳 小型太阳帆模型 帆的桅杆缠绕在中心鼓轮外侧， 展开过程中利用弹 除了中心桅杆保持展 性力通过桅杆带动薄膜展开， 开后的形状外， 在太阳帆的四周也有类似于桅杆的 结构。该展开方式的优点是不需要人为加入驱动 力， 减少模型的复杂性。
Apr. 2013 航 天 控 制 Aerospace Control Vol. 31 ， No． 2 · 94·
太阳帆航天器展开结构技术综述
霍
摘 要
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倩
饶
哲
周春燕
北京理工大学宇航学院飞行器结构动力学与控制实验室 ， 北京 100081 近年来， 深空探测技术引起了世界各国的极大关注 ， 太阳帆的出现使得 降低深空探测的成本成为可能， 这其中自旋展开的结构由于重量小 ， 展开能耗低 等优点引起许多学者的关注。 本文对可展开太阳帆的发展概况， 自旋展开结构 中薄膜的折叠方式， 薄膜材料的选择以及自旋展开结构地面试验研究现状进行 了概述。 太阳帆； 自旋展开； 薄膜； 展开机构 中图分类号： V476． 4 文献标识码： A 关键词 3242 （ 2013 ） 02009406 文章编号： 1006-
通过已有的研究可以看出自旋展开和稳定技术 ［26 ］ 具有以下优点 ： 1 ） 自旋离心力可以提供结构的面
内刚度， 使结构可采用轻质柔性材料制成； 2 ） 采用 相对简单的控制方法即可以获得稳定的展开； 3 ） 自
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旋展开控制可快可慢， 从而适用于多种任务。
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中， 有 多 种 不 同 的 折 叠 方 式， 例 如 Miura － Ori 法折叠 、 倾 斜 旋 转 折 叠 法， 以及伊卡洛斯号
3
自旋展开结构中薄膜的折叠方式
折叠法等 （ 如图 5 所示 ） 。 其中 Miura － Ori 法折叠 方式广泛应用于二维展开方式太阳帆的折叠 。 Furuyad 等［29 － 31］提 出 太 阳 帆 的 倾 斜 旋 转 折 叠 方 法 ， 并通过理论分析和实验研究两方面验证了这种折 叠方法的可行性 。
［3 ］
2010 年 5 月 21 日， 日本宇航局成功发射了伊 卡洛斯号太阳帆， 随后太阳帆在太空中成功展开。 伊卡洛斯号拥有一面对角线长为 20m 的方形帆， 由 聚酰亚胺树脂材料制成， 柔韧性非常好， 厚度仅为 0． 0075mm， 相当于人类发丝的几分之一。 图 4 所示 为太阳帆在太空中展开过程模拟图 。首先在离心力 4 根辐条绕着中心鼓轮展开， 的作用下， 然后在辐条 完全伸展开后， 薄膜的帆面开始旋转打开。
［1 ］ห้องสมุดไป่ตู้
1
可展开太阳帆的发展概况
在深空探测中， 利用太阳帆作为航天器推进动
， 这样太阳帆便会有源源不断的动力， 理论上
力的基本思想由来已久。 早在 400 多年前， 著名的
* 国家自然科学基金支持（ 51075032 ） 0730 收稿日期： 2012作者简介： 霍 倩（ 1985 － ） ， 女， 河北保定人， 硕士研究生， 主要从事大型空间结构的自旋展开与控制的研究； 饶 哲 （ 1988 － ） ， 男， 湖南城步人， 硕士研究生， 主要从事非线性振动的理论及实验研究； 周春燕 （ 1976 － ） ， 女， 湖北人， 博 讲师， 主要从事结构动力学理论与实验研究 。 士，
A Review of Solar Sail Spacecraft Deployment Technology
HUO Qian RAO Zhe ZHOU Chunyan Key Laboratory of Dynamics and Control of Flight Vehicle，Ministry of Education，School of Space Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081 ， China Abstract Deep space exploration technology becomes the trend of the world in recent years． The cost reduc-
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太阳帆展开方式的研究现状
。1973 年， 的推力获得宇宙速度 ” 美国宇航局出资 资助巴特尔实验室开始进行太阳帆的初步研究 。欧 洲空间局和德国宇航研究院合作， 于 1999 年 12 月 并在地面上成 研制出 20m × 20m 的太阳帆的模型， 功进行了展开试验。1993 年， 俄罗斯在经过长期研 究以及地面实验 之 后， 成 功 研 制 了 直 径 为 20m 的 “Znanya － 2 号 ” 空间反射镜 ， 但是接下来试验的 “Znanya － 2． 5 号” 直径为 25m 的 的展开却失败了。 近年来， 随着人类对太空探测范围的扩大 ， 以及 微电子技术及材料科学技术方面的发展 ， 太阳帆飞 。 2001 行器成为深空探测的热点 年美国行星协会
近年来， 随着各国深空探测活动范围的扩大及 探测活动的多样化， 早期的推力发动机的飞行时间、 燃料和发射费用等问题制约了深空探测的发展 。因 此寻找一种低成本， 且能够使探测器获得源源不断 的动力的方法， 成为人们的梦想， 太阳帆飞行器从理 论上解决了这一问题。 当太阳光子照射到帆面上 时， 会被反射回去， 同时光子会对太阳帆产生反作用 力
［6 ］
发射失败 。
我国在太阳帆飞行器深空探测研究方面起步较 。现有北京航空航天大学、 哈尔滨工业大学、
清华大学、 中国科学院空间科学与应用研究中心等 姿态控制问题等 单位就太阳帆飞行器的轨道控制， 展开了若干应用基础研究
［6 － 11 ］
， 但是对太阳帆这类
2 ） 机械展开结构［21］。 这种展开方式常用于大 口径的环形天线的展开， 已经有较成熟的技术。 在 这种结构中， 桅杆是一个可展开的机械系统， 在电机