1.2.1 太阳帆探测器以及太阳帆创新概念研究现状
1.国外研究现状
已经进行的太阳帆探测器及太阳帆创新概念相关研究包括如下内容：
◆第一次关于太阳光用于推进的试验是20世纪60年代的Echo 1号，Echo是NASA（美国国家航空航天局）发射的第一代试验通信卫星，卫星是直径为30.5 m、厚度为0.012 7 mm具有金属镀层的气球形状，用于被动反射来自地面的信号。卫星的供电系统来自70个镍镉太阳能电池，echo-1受到了明显太阳光压力的作用。
◆在1974年，NASA发射了航海者10水星探测任务，该任务并不是太阳帆飞行试验，由于在水星附近姿态控制燃料消耗过多，考虑到水星离太阳非常近，太阳光压力比较显著，NASA的科学家建议利用太阳帆板的光压力进行位置控制。尽管太阳光压力非常小，航海者10号还是成功将太阳能帆板用于姿态控制。在接下来的时间里NASA很长时间没有进行太阳帆相关实验。
◆1992年10月27日，俄罗斯发射了Znamya 2反射镜试验，其目的是将太阳能利用反射镜返回地面。Znamya 2是直径为20 m的反射镜面，在Baikonur由Progress-TM-15装载，1993年2月4日，Progress-TM-15在和平号空间站附近将反射镜展开，反射镜展开成功，反射镜的反射光线能在地面产生5 km宽的亮点，亮点以8 km／s的速度从法国南部到俄罗斯西部穿越欧洲，光点的亮度与满月的亮度相当。Znamya 2.5与Znamya 2为一个系列，1999年2月5日在轨展开，它的直径是25 m，能在地面产生直径大约7 km宽的光点，亮度为满月亮度的5～10倍。俄罗斯并不是唯一进行太阳帆试验的国家，俄罗斯试验的主要目的是获得太阳能。而日本的试验目的是利用太阳光压力进行星际推进。
◆1996年，在航天飞机STS-77任务发射时，进行了一次大型充气结构的展开实验，直径为14 m的充气天线用作无线电发射和接收装置。由于帆面打包时没有抽成真空，导致天线没有按照计划顺序展开，镜面的形状也与期望的形状之间存在着差异。但是该实验验证了大型充气结果展开的鲁棒性和可靠性。
◆1999年，德国航天局（DLR）进行了20m地面试验。
◆NASA和ESA分别在New Millennium计划和SMART计划中提出要发展低质量高性能的推进方式，太阳帆技术是NASA的新计划中重要的一项。为了确保试验的可靠性，NASA分别资助两个不同的机构用不同的方案进行太阳帆地面试验，ATK space system根据他们在计划中提出的方案，利用盘绕式的刚性支撑臂和铰链在臂上的姿态控制系统，帆膜采用SRS开发的CP1材料。L'Garde采用充气式低温刚化臂，利用四片小帆进行姿态控制，帆膜采用Mylar材料。在2004年和2005年两个机构分别成功地进行了10 m和20 m的整帆试验。两种不同设计在一个大气压和一个重力加速度的环境下展开的鲁棒性非常好，并且尺寸能扩大到150 m。
◆2004年8月9日，日本航天局（ISAS）利用S-310-34小火箭从鹿儿岛（Kagoshima）航天器中心发射了太阳帆任务。火箭载有两种不同展开机制的太阳帆，太阳帆的厚度都为7.5 μm。与火箭分离100 s后，手套形状的太阳帆开始在122 km轨道展开。与手套形状太阳帆成功分离后，风扇形状太阳帆230 s后在169 km轨道展开。两种形式的展开都非常成功。尽管该实验没有验证太阳帆用于深空自由飞行的特点，在高速运动的轨道上展开桁架结构太阳帆是非常困难的，Friedman称该任务是有里程碑意义的一次发射。
◆第一颗完整的太阳帆任务“宇宙1号”太阳帆由美国太空爱好者成立的私人组织“行星学会”、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年时间联合建造。该帆由八片扇状的小帆组成，在轨道展开时约为600 m2，有效载荷的直径不到1 m、质量约40 kg，有效载荷包括相机和加速器，分别用来拍摄帆展开过程和测量自身的加速度。根据设计，它在5年后将以100 km／s经过火星，并且能很快追上已经发射了26年的“航行者1号”探测器。2005年6月21日，“宇宙1号”在巴伦支海的俄罗斯核潜艇上发射后仅83 s即宣告失败。承担发射任务的俄罗斯军方官员宣布由于火箭推进器出现故障，太阳帆未能进入预定轨道。行星学会在“宇宙1号”失败后，致力于“light-sail”的研究。目前，行星协会正在着手研究整合太阳帆的方案。
◆通过Marshall飞行中心、Ames研究中心和几个工业和学术合作伙伴，2008年，NASA实验发射了一颗没有燃料的小型太阳帆——NanoSail-D。该星不携带推进剂，唯一能量是几块用来维持星上电脑运行的小电池。该任务的目标是利用太阳光对卫星进行加速。整个小卫星重约4 kg，整个帆展开后将是一个30 m×30 m的正方形，卫星进入轨道三天后太阳帆开始展开（图1-8）。虽然该星的功能简单，但它用到很多新的关键技术，其中很多技术只进行过地面试验。“NanoSail-D”于2008年8月2日发射，发射两分钟后与Falcon1号火箭分离时遇到了问题，卫星没有进入地球轨道。该任务给NASA与其他政府机构、学术机构和工业机构的合作提供了很好的机会。
图1-8 帆面展开示意图
◆2010年，日本JAXA成功发射“伊卡洛斯”号IKAROS太阳帆推进探测器。伊卡洛斯成为世界上第一个利用太阳光压力作为主要推进的空间探测任务。主要验证四项关键技术：太阳帆的展开和控制技术；利用植入帆膜的太阳电池对有效载荷进行供电；测量太阳光压力产生的加速度；利用反射率可变的液晶板实现姿态控制。
伊卡洛斯的基本情况如表1-2所示。
表1-2 伊卡洛斯的基本情况
整个帆的组成如图1-9所示。
图1-9 伊卡洛斯帆面示意图
各个符号的说明如表1-3所示。
表1-3 符号说明
伊卡洛斯以20～25 r／min速度自旋，在2010年6月11日完成展开，太阳帆携带了两个相机——DCAM1和DCAM2，其中DCAM2观测太阳帆展开后的情况。7月11日，JAXA确认了太阳光压力对伊卡洛斯进行了加速。如果伊卡洛斯成功，JAXA将继续研制尺寸为50 m的太阳帆，用于木星及其卫星的探测。
◆萨瑞大学计划在2011年发射“CubeSail”，尺寸是3 100 mm×100 mm×100 mm，展开后为25 m×25 m，目的就是验证太阳帆的展开和太阳光压力大小。
◆2013年9月，美国成功进行了1 200 m2的太阳帆（sun jammer）地面展开试验（图1-10），拟于2015年1月发射，2014年10月任务取消。
图1-10 sun jammer地面展开示意图
◆2015年美国行星协会的太阳帆探测器LightSail（图1-11）与美国空军的X-37B迷你航天飞机一起进入轨道，展开后的面积大约为31 m2。
图1-11 LightSail示意图
◆2016年4月，霍金等提出突破摄星计划（Breakthrough Starshot）：建造一个激光推进的微型星际飞行器，预计最快用20年抵达离太阳系最近的恒星系统——半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）。计划采用微型的激光推进帆。图1-12所示为摄星计划发布会。
图1-12 摄星计划发布会
◆2016年NASA创新先进概念（NIAC）项目资助了薄膜航天器概念（图1-13），面积，质量为1 m2 35 g，厚度为30 μm。为分散式布设推进器。2017年进行了第二阶段的支持。
图1-13 薄膜帆效果图
◆2018年NASA创新先进概念（NIAC）项目资助了衍射太阳帆（图1-14）研究，由纽约州罗切斯特理工学院承担，该项目使用超材料原理制作光学薄膜，因为薄膜将允许帆使用所谓的电光束转向，从而可以使用衍射光来获得其他方向的力，这意味着帆可以保持最佳角度以获得最佳加速度。
图1-14 衍射帆示意图
◆2018年NASA创新先进概念（NIAC）项目资助了Solar Surfing（图1-15）研究，由肯尼迪航天中心承担，主要目的是帮助无人太空船深入太阳的日冕或外部大气层，使用高反射率涂层覆盖薄的太阳屏蔽层，更靠近太阳。
图1-15 Solar Surfing效果图
◆近期和太阳帆相关的宣传报道还包括轨道级光污问题，用卫星将广告投射在夜空中（图1-16）或者利用太阳帆反射太阳光，在地面形成光斑。
图1-16 空间广告投射
2.国内研究现状
国内在太阳帆技术研究领域开展较晚，在太阳帆推进方面的研究主要集中在中国空间技术研究院（航天五院）、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院空间科学与应用研究中心、上海航天技术研究院（航天八院）等单位。
航天五院是国内最早开展太阳帆研究的单位。1989年至1991年航天五院组织北京星星设计队（Star Group）参加了国际太阳帆地—月飞行设计竞赛，这也是我国首次系统研究太阳帆方案和深空探测飞行任务。
国内对太阳帆推进技术的研究主要集中在姿态轨道控制理论、太阳帆柔性特性及力学分析方面，在结构设计上进行了初步的研究。对太阳帆结构进行了系统建模以及动力学仿真分析，运用商用软件进行三维建模的总体设计，利用有限元仿真分析软件进行动力学仿真分析，通过CAD／CAE的联合应用，检测总体设计结构的模态能否满足要求，为总体设计提供一定参考，同时也为太阳帆姿态控制提供相关数据。在太阳帆动力学与控制方面进行了大量的工作，开展了太阳帆航天器刚柔耦合动力学建模与控制问题研究，对刚柔耦合动力学方程求解进行了研究，在参考Bong Wie等人理论的基础上设计了基于控制杆、滑块、角帆的太阳帆三轴姿态控制系统。研究了不同轨道运行的太阳帆航天器的姿态控制律。开展了太阳帆支撑管充气展开动力学分析、利用有限元对拟使用的太阳帆面和支撑杆进行了初步的力学分析和仿真。
2019年1月，商业航天公司天仪研究院完成了0.7 m2的太阳帆（图1-17）展开试验。
图1-17 天仪研究院太阳帆实物图
2019年7月，北京理工大学成功发射了“北理工1号”帆球卫星（图1-18），算是薄膜结构在空间中的另一种创新应用。
图1-18 帆球卫星示意图
2019年8月，随长征四号乙运载火箭入轨不到一周的金牛座纳星，顺利展开离轨帆（图1-19）开始被动离轨试验，搭载的相机成功对离轨帆展开过程进行了拍摄并成像下传。
图1-19 离轨帆示意图
2019年12月，中国科学院沈阳自动化研究所研制的“天帆一号”太阳帆，在轨成功验证了多项太阳帆关键技术。图1-20所示为“天帆一号”在轨展开过程中的部分照片。
图1-20 “天帆一号”在轨展开过程中的部分照片