图解：LightSail 2在墨西哥下加利福尼亚州。图片：美国行星协会

进入太阳帆航行模式后，在一次关于十分具有有前途的新型推进装置的重要测试中，行星协会的LightSail 2航天器已成功将其轨道上升了近2英里。

7月23日，被SpaceX猎鹰重型火箭带入近地轨道大约一个月后，LightSail2航天器展开了其32平方米（344平方英尺）的太阳帆。当时，航天器的远地点或者说它的轨道最高点仅仅是726公里（451英里）。但根据行星协会的说法，现在，当进入太阳帆航行模式仅仅两周后，LightSail 2的远地点已经达到729公里（453英里），增加了近3.2公里（2英里）。

现在还处于早期阶段，但情况进展顺利。

“任务操作进展顺利，”LightSail 2项目经理Dave Spencer在早些时候这样告诉Gizmodo。“航天器状态良好，我们每天都会与航天器进行数次通信。”

这项任务的重点是测试太阳帆航行的可行性，借由大型太阳帆反弹太阳光子，给航天器一个轻微而连续的推动力。最终，这种推进方式可用于小型航天器的在轨运行，甚至可以实现星际旅行。

为了保持最佳性能，飞行控制人员需要确定风帆相对于太阳的位置。为此，航天器每绕地球一周就要利用动量轮进行两次90度翻转- 主要是通过一个沿单轴移动的飞轮实现。当处于太阳帆航行模式时，风帆被设置成侧对或者垂直于太阳的状态，以最大程度利用太阳光子撞击风帆。为了防止LightSail 2翻滚，从而失去对太阳帆定位的控制，风帆被设置为顺着相对于入射太阳光子方向移动。LightSail 2完整地绕地球一圈大约需要90分钟。

“在太阳帆展开后的前10天，我们大约有三分之二的时间处于太阳能航行模式，”Spencer解释道。“由于动量轮的最大转速每天数次达到饱和极限，因此我们会让动量轮减速并使用磁力扭矩棒来消除系统的角速度。这被称为'速率阻尼’模式，这种模式可以降低航天器每个轴的角速率。早先时候，包括受阳光照射部分的轨道在内，航天器有三分之一的时间内处于速率阻尼模式。”

8月3日，行星协会团队上传了一个软件补丁，使航天器在运行到地球阴影内时能够自动切换到速率阻尼模式。Spencer解释说，LightSail 2现在可以在每圈轨道中受阳光照射部分始终保持太阳帆航行模式，以“最大化太阳帆航行的时间”。

“我们还对帆的控制算法进行了一些微调，以提高航天器的偏转速率，并降低了航天器在翻转结束时超过预设角度的可能性，”Spencer说。

实际上，一份由Purdue大学参与LightSail 2任务的Justin Mansell博士所编写的图表很好地说明了这个问题。

图解：2019年7月2日，LightSail2三周轨道内的风帆方向。图片：行星协会

如图所示，红线代表帆面方向的设定参数（即理想化的帆面配置），其中0度表示与太阳完全垂直的方向，而90度表示平行的方向。所绘制的折线是取自是7月28日三周轨道上的实际数据，该数据表明当定位接近90度时帆的角度将会超过预设值。LightSail 2目前正工作在约30度的允许误差范围内，但是为了它能调整得更精确——一份升级补丁已于8月5日上传到LightSail 2。

“这些升级补丁都有效地改善了风帆控制性能，”Spencer告诉Gizmodo。“基于对航天器遥测表明，过去两天我们的90度翻转控制得更加精准，而且动量轮尚未达到饱和极限。我们期待未来几天能看到这种改进后帆控制方式在轨道演化中的效果，”他说。

Mansell制作的图片展示了在2019年7月28日最近程序更新之前LightSail2在的单周轨道内相对于太阳的角度。红线表示太阳的方向，而蓝线表示局部磁场的方向。来自行星协会的Jason Davis 谈到这个图片时说到：

在图片的前半部分，LightSail 2飞行时尝试侧面朝向太阳光子，其长轴与阳光成90度角，被称为“羽毛”模式。为了避免误传数据，数据点之间没有采用内插值法连接，这使得太阳帆看起比实际上更跳跃。在图片的后半部分，LightSail 2处于“推力”模式，试图将其长轴相对阳光保持在零度角的位置，这样帆可以从阳光中获取推力。

正如图片所示，当太阳帆运行得十分完美时，任务团队可以观察到它出色的轨道性能。在LightSail2迄今为止表现得最好的一天，航天器将其高度提升了大约900米，展示了光动力小型航天器潜力——这正是该计划的主要目标。

有趣的是，行星协会团队还进行了模拟试验，以了解随机翻滚卫星相比于实际所记录的飞行数据的性能。不出所料，与翻滚卫星相比，受控定向卫星有着更快的升力速率。

Spencer告诉Gizmodo， LightSail 2在任务中所有的表现，包括定向控制，最终都会记录在由行星协会任务团队编制的会议论文和期刊论文中。他说，该任务的主要目标之一是将这些数据提供给太阳帆联盟，其中包括美国宇航局的近地小行星侦察兵（NEA Scout）任务——利用太阳帆卫星飞越小行星。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. George Dvorsky-孟冬

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1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自https://gizmodo.com/lightsail-2-pushed-by-sunlight-raises-its-orbit-by-10-1837008090

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