1.2.3 国外主要太阳帆研究团队进展
2019年7月29日至8月3日在德国的亚琛举行了最新一届国际太阳帆技术研讨会。主要参加单位有NASA的马歇尔中心太阳帆团队、ESA和DLR的太阳帆团队、英国格拉斯哥大学的太阳帆团队、俄罗斯萨马拉大学的太阳帆团队、意大利米兰理工大学的团队等。中国参加团队包括清华大学、北京理工大学、南京航空航天大学和中国空间技术研究院等团队。此部分内容主要依托研讨会上各国团队所展示的内容进行整理。
1.德国团队工作
德国DLR太阳帆团队介绍了德国宇航局在太阳帆领域的全部研究进展，德国从1958年开始提出太阳帆概念，在1996年完成1 m帆的地面样机，在1998年完成了8 m帆的地面样机，后来又完成了地面20 m样机。DLR研究团队前后共提出了15个任务规划，包括多个近地小行星交会任务；25 m2的Gossamer-2任务，验证高轨姿态和推力矢量控制；50 m2的Gossamer-3任务，验证太阳帆可以执行科学任务；金牛座流星雨探查任务等，都没有予以实施。
德国与美国、日本等国都有一些合作机会。在支撑臂和展开机构方面现场展示了多种样机（图1-25）。包括更为轻薄的豆荚杆，利用人字杆和拉锁研制的半米截面边长的轻质桁架结构等。
图1-25 DLR的折叠展开支撑臂样机
DLR研究人员发现由于豆荚杆式展开方式在支撑臂与星体接口方面需要进行研究，否则由于豆荚杆在展开末期被压扁，会极大地降低支撑臂刚度。为此设计了多种接口的紧固方案。针对大型电池阵的展开，DLR结合已有的支撑臂设计了单杆支撑柔性电池阵展开机构。DLR还针对不同尺度的太阳帆介绍了展开和储存策略，合理选择构件及其结构是实现10 m边长以下大型太阳帆的关键。在边缘长度不超过50 m的中等尺寸区域中，达到了相当好的质量比性能。对于更大的帆，单位面积的质量则再次增加。为了使特征加速度最大化，特别是对于非常大的帆来说，如果展开机构的质量可以被抛弃，从而不再对帆艇质量有贡献，这是一个明显的优势。
DLR和兰利研究中心的研究人员针对500 m2级的太阳帆设计了一套展开机构。这是一个四根支撑臂同时展开的样机（图1-26），出现多次卡顿现象。
图1-26 大尺度帆展开臂样机
DLR研究人员介绍了一种薄纱型光伏薄膜的设计，就是一种粘贴了薄膜电池片的薄膜基底，主要研究了折展问题和存储问题。如图1-27所示为贴有电池阵的帆面展开。
图1-27 贴有电池阵的帆面展开
2.日本团队工作
日本宇航局的太阳帆团队介绍了一直以来非常神秘的伊卡洛斯后续任务，在之前的公开信息中，这一任务被称为太阳帆木星探测任务，边长50 m，是太阳帆领域非常宏大的任务之一，一直被各国研究人员广泛关注。近年其团队将其改名为OKEANOS任务。这次任务已经不能称为单纯的太阳帆任务了，太阳帆只是作为大型薄膜电池阵的基底出现，推进器采用高比冲的离子电推进方式，当然在任务过程中还会开展部分太阳帆的推进试验。具体指标包括：总功率4.4 kW＠5.2 AU，输出电压59～125 V，整星重141 kg，包括20 kg的自旋展开质量块，帆面面积1 400 m2，存储面积小于27 cm×4.5 cm，冲击应力耐受性大于450 MPa，静应力耐受性大于20 kPa。
整体设计继承了IKAROS的特点，从结构、布局和折叠展开等方式上都与其非常类似。不同之处在于帆面面积扩大，并且遍布薄膜电池阵。目前这一任务已经开展广泛的地面试验，包括张力测试、高低温和环境测试、温度曲率测试、光学特性测试以及反射率测试。
目前OKEANOS任务还在努力更改方案，争取在2030年发射。日本团队认为OKEANOS引领未来太阳系探测，承担着前沿的空间科学探测任务。
3.美国NASA团队工作
美国的研究以NASA下属的马歇尔研究中心和兰利研究中心为主，包含其他一些研究中心和阿拉巴马大学等多个大学。
美国NASA马歇尔研究中心航天系统部、项目制定办公室以及雅各布工程组共同介绍了近地小行星童子军飞行系统飞行单元测试中的经验教训。NEA童子军将是第一个对近地小行星进行成像和表征的星际小卫星。如图1-28所示为美国近地小行星探测任务示意图。
图1-28 美国近地小行星探测任务示意图
近地小行星童子军飞行任务的航天器独特地配备了一个85 m2的太阳帆作为主推进系统。整体式风帆系统的设计是为了在6个立方星[2]的体积内打包发射，然后在飞行中展开。由于航天器的独特设计，太阳帆子系统需要位于航天器的中心。这一要求带来了设计挑战，如设计和容纳穿过帆子系统中心的关键电缆束、帆子系统的包装和展开设计，以及通过航空电子试验台验证完整性的综合测试工作。这一任务也经历了复杂的演化过程，2010年美国提出了太阳帆多近地小行星交会任务，5 000 m2；2012年提出近地项目先驱任务，871 m2；2013年提出近地小行星童子军计划，100 m2；同期JPL也提出了类似任务，JPL还提出了月球手电筒任务，2015年月球手电筒任务由于超重，已经不适用于太阳帆推进，改为激光和化学推进；甚至还提出将Nanosail-D的四块帆合并为一块大面积帆，将大面积帆改为多个小面积帆的组合体等。
任务小组成功地将太阳帆飞行系统交付给航天器集成项目组，其认为软件、机械设计和热分析方面对交付至关重要。组合式支撑臂和简化的扇形帆可以将帆系统的质量减少至少25%。热分析表明了涂层和胶带的选择、天线和控制系统对航天器的总体尺寸和性能产生较大影响。
美国阿拉巴马大学天体动力学与空间研究实验室和马歇尔制导导航与任务分析团队共同介绍了NEA童子军计划的轨道设计与选择。
美国弗吉尼亚州哈普顿国家航空航天研究所，NASA兰利研究中心下属的先进材料与加工组，耐久性、损伤容限和可靠性组，结构动力学组，结构与热力系统组以及NASA马歇尔飞行中心的非金属材料与空间环境效应组共同介绍了太阳帆膜结构机械截面的耐久性表征方法。还介绍了在可展开复合材料支撑杆用聚合物的黏弹性表征方面的工作。可展开空间结构是由薄壁纤维增强聚合物复合材料制成的，具有比强度高、比刚度高、双稳态等特点。然而，当零件在应变下储存时，树脂基体固有的黏弹性行为会导致尺寸不稳定。在太空中组装和展开之间的长时间装载可能导致性能下降，在最坏的情况下，可能导致任务失败。他们评估了太阳帆可展开臂架结构候选商用聚合物的黏弹性特性。
美国NASA团队介绍了太阳帆建模方面的一些工作，主要是利用有限元分析工具对帆面局部褶皱、应力分布、在预紧力和变形作用下的帆面形状的变化等进行分析。认为有限元工具非常必要，且若预紧力加载合适，则支撑臂对帆面变形基本没有影响。建议下一步继续开展更高精度的模拟，亦即折叠状态的建模工作。
NASA研制支撑臂的团队介绍了支撑臂的当前研究进展，认为百米以上支撑臂已经在螺旋压紧式支撑臂上完成，40 m以下较为昂贵的支撑臂在DLR已经实现，更小尺度的支撑臂也通过人字形、C字形、记忆材料等形式实现。其团队主要聚焦于5～20 m、价格适中的支撑臂，研究了截面形状、加工工艺等。
4.美国行星协会Lightsail团队工作
Lightsail团队介绍了星际探测设想，也就是“摄星计划”的一些研究进展。利用4 cm2的小帆，获得0.2倍光速的飞行速度，从而实现星际探测任务。主要介绍了其在任务设计、材料选择、反射率分析、热分析等方面的一些初步探索。任务中，当薄膜微小帆在旋转起来后，如果速度大于一定的范围就会导致帆的破碎。