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在太空中扬帆起航——无需推进剂的太阳帆推进技术

来源:星际智汇   作者:贾平

2019年6月,美国行星学会研制的“光帆”-2立方星搭载“猎鹰重型”火箭入轨,7月成功展开太阳帆并进行变轨,成功验证了太阳帆推进技术。太阳帆推进无需传统推进剂,成本低、工作寿命长且绿色环保,已成为美国和日本等国家重点发展的新型航天器推进技术。

一  推进原理

太阳帆推进是利用太阳光子撞击太阳帆产生光压,从而推动航天器飞行的推进技术。太阳帆推进系统主要由太阳帆薄膜和支撑展开机构等组成。薄膜多采用聚酰亚胺、聚酯等聚合物材料,具有超大、超轻、超薄、反射率高的特点,以拦截大量光子产生足够推力;支撑展开结构主要采用轻质、高强度的复合材料等材料。太阳帆薄膜和支撑展开机构在发射前以Z形、卷曲、立柱式以及同轴伸缩等方式折叠,入轨后展开。

在轨展开后的“光帆”-2立方星太阳帆

二  发展历程

1924年,苏联科学家首次提出太阳帆推进概念;美国行星学会与俄罗斯巴巴金科学研究中心共同研制采用太阳帆推进系统的两型“宇宙”-1航天器分别于2001年和2005年尝试在轨试验,但均以失败告终;日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)2010年发射星际航天器“伊卡洛斯”(IKALOS),在世界上首次成功试验太阳帆在轨展开和推进技术。该航天器的正方形太阳帆边长14米,由厚度约7.5微米的聚酰亚胺薄膜和在表面一侧沉积的厚度约80纳米的铝膜制成;NASA在2010年底至2013年利用“纳帆”-D2卫星成功开展为期240天的太阳帆在轨飞行试验并验证了利用太阳帆使低地球轨道轨纳卫星离轨的技术。该太阳帆边长约3米,厚约7.5微米。

2015年5月,美国行星学会研制的“光帆”-1试验卫星搭乘X-37B轨道机动飞行器入轨,对边长5.5米的太阳帆进行展开试验和运行状态监测。“光帆”-2立方星入轨2019年6月入轨,7月成功展开太阳帆,远地点高度在数周时间内提升了约2千米,成功验证了太阳帆推进技术。“光帆”-2的太阳帆由聚酯薄膜制成,边长5.6米、厚4.5微米。

三  应用前景

太阳帆推进技术可用于星际探测和地球轨道航天器机动飞行,还将使无法安装复杂和较大质量推进系统的纳卫星具有变轨和离轨功能,不仅能提升纳卫星任务能力还将使其避免成为太空垃圾。

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