深空探测太阳帆推进技术_航空航天

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前　言

亚瑟·克拉克的科幻小说《太阳帆船》：“紧紧系在悬索上的大圆盘形太阳帆，已经鼓满了宇宙间的长风，像一名斗志昂扬、整装待发的勇士。”电影《阿凡达》中，人类飞抵4光年

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第1章　绪　论

快速、高效、低成本、低风险、高生存能力是21世纪航天技术发展要达到的重要目标。而现代飞行器越来越受到了化学燃料火箭能量和其能携带的燃料质量的制约，如燃料在航天飞

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1.1　利用太阳帆开展主带小行星探测概述

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1.1.1　小行星探测国内外发展现状

在20世纪90年代以前，人们主要通过地面天文观测研究小行星，同时还对陨落到地面的小行星碎片进行研究，从而得到小行星物质组成和化学成分。随着人类深空探索的深入，国

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1.1.2　主带小行星探测意义

小行星带是太阳系内介于火星和木星轨道之间的小行星密集区域。在已经被编号的120 437颗小行星中，有98.5%是在这里被发现的。这些小行星大多集中在火星与木星轨

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1.1.3　主带小行星探测的目标选择

太阳帆推进技术能够为未来的深空探测任务提供新的轨道方案，小行星的引力比较低，太阳帆可以通过调整帆面使航天器与小行星长时间甚至近距离伴飞。对于主带小行星探测的任务

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1.1.4　利用太阳帆开展主带小行星探测任务设想

太阳帆与传统推进方式相比具有无需燃料消耗的优势，在进行需长期不断提供推力的深空探测任务中具有显著优势，而太阳帆技术的发展也逐步由理论研究步入工程应用，目前已有多

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1.2　太阳帆推进技术发展概述

15世纪地理大发现时期，欧洲的航海家们扬帆远航，借助风力驶向传说中的大陆，麦哲伦船队更是凭借帆船完成了环球航行的伟大创举。21世纪的科学家们发现，未来的星际航行

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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N

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1.2.2　太阳帆探测任务研究现状

太阳帆航天器轨道优化设计与姿态控制技术一直是太阳帆技术发展的关键和瓶颈，所以对该项技术进行的研究将极大提高我国太阳帆技术的水平。研究太阳帆的轨道设计可以为目前提

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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

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1.2.4　太阳帆后续发展的设想

1.太阳帆的地位太阳帆在国际航天技术领域还没有得到充分的认可，虽然开展了大量的地面和空间试验，但是针对具体任务应用，其作为一个创新点出现时分量仍旧无法打动决策

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第2章　基于太阳光压力的太阳帆推进理论

太阳帆推进的关键是光压力的计算，日本伊卡洛斯任务以及众多前期太阳帆任务中很重要的测试内容就是光压力的测量。太阳帆薄膜存在振动变形、展开变形以及受控的形面调整，这

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2.1　太阳光压力建模理论

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2.1.1　太阳光压力推进理论研究

1.太阳辐射压力的物理解释太阳帆航天器的推进力来自太阳与太阳帆帆面之间辐射能量的动量交换。太阳帆推进技术在物理机制上是成熟的，从量子力学角度看，可以将辐射压力

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2.1.2　太阳帆光压模型

不考虑太阳帆褶皱、热变形和结构振动的理想模型下，太阳光压力是由于太阳光子撞击在太阳帆表面反射导致动量交换而产生的。在光子撞击帆面时，一部分光子被吸收ρa，一部分

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2.2　太阳帆结构静动力学建模方法

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2.2.1　太阳帆静力学分析

一般太阳帆主要结构包括1个中心箱体、4根伸展臂、4片等腰直角三角形帆面，如图2-7所示。伸展臂为充气式伸展臂；帆面和伸展臂靠近中心端与中心箱体连接；帆面与伸展臂

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2.2.2　太阳帆“中心刚体＋挠性附件”动力学方程

较刚体太阳帆模型，在动力学耦合系数计算过程中，太阳帆具有中心刚体加上一个挠性附件形式，挠性附件振动与太阳帆姿态和轨道相互耦合。在有限元内部计算程序中，太阳帆帆面

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2.2.3　太阳帆动力学耦合系数计算

根据柔性航天器中心刚体加挠性附件耦合系数计算理论模型，将太阳帆整体结构作为挠性附件，将装载太阳帆的飞行器作为中心刚体。应用有限元方法可以得出模型的耦合系数矩阵，

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2.2.4　太阳帆全杆模型

太阳帆全杆模型中，去除帆面结构以及伸展臂与帆面的连接关系，但保留伸展臂结构，将帆面质量等效到伸展臂上。 1.有限元建模仿真有限元模型结构参数如表2-2所示，有

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2.2.5　太阳帆全帆模型

太阳帆全帆模型中，去除伸展臂结构，将伸展臂质量等效到帆面单元节点上。 1.有限元建模仿真有限元模型结构参数如表2-4所示，有限元模型如图2-19所示。表2-

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2.2.6　太阳帆全柔性动力学方程

定义太阳帆系统质心O在惯性坐标系OIXIYIZI中的位置矢量为c，任取太阳帆系统上一个质量微元mk（k＝0，1，…，n），相对于质心O的位置矢量为rk，其柔性变

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2.3　太阳帆姿态轨道耦合动力学建模方法

太阳帆结构姿态轨道耦合系统的分析是太阳帆推进技术的关键内容之一。太阳帆探测器的姿态决定着轨道的变化，轨道影响着相应姿态的受力情况，同时在进行姿态控制时，太阳帆的

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2.3.1　太阳帆姿态轨道耦合动力学模型建立

定义太阳帆航天器的姿态，首先需要定义太阳帆航天器的轨道坐标系和本体坐标系，其姿态就是本体坐标系相对于轨道坐标系的偏差。太阳帆航天器轨道坐标系的定义为：原点O位于

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2.3.2　姿态轨道振动耦合动力学降阶模型

忽略各种天体摄动力以及耗散阻力，仅考虑天体引力、太阳光压力。得到柔性太阳帆降阶动力学模型的方程为不考虑结构阻尼，仿真算例中将分别采用有限元模型和降阶模型计算

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2.4　基于时变光压力的动力学数值仿真分析

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2.4.1　振动变形对太阳帆所受光压力的影响

柔性太阳帆的帆表面的振动会使帆面不再为平面，而成为比较复杂的曲面。太阳光压力与帆面的形状有关。帆的曲面不断在振动，从而使所受的光压力不断发生变化，从而影响太阳帆

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2.4.2　振动变形对太阳帆姿态和轨道的影响

两种模型下太阳帆的姿态变化如图2-32所示。在计算光压力、力矩、回复力时若不考虑振动引起的影响，太阳帆姿态变化很小，量级为5天转动了10-2 rad。若在计算光

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《深空探测太阳帆推进技术》简介

前　言

目录

第1章　绪　论

1.1　利用太阳帆开展主带小行星探测概述

1.1.1　小行星探测国内外发展现状

1.1.2　主带小行星探测意义

1.1.3　主带小行星探测的目标选择

1.1.4　利用太阳帆开展主带小行星探测任务设想

1.2　太阳帆推进技术发展概述

1.2.1　太阳帆探测器以及太阳帆创新概念研究现状

1.2.2　太阳帆探测任务研究现状

1.2.3　国外主要太阳帆研究团队进展

1.2.4　太阳帆后续发展的设想

第2章　基于太阳光压力的太阳帆推进理论

2.1　太阳光压力建模理论

2.1.1　太阳光压力推进理论研究

2.1.2　太阳帆光压模型

2.2　太阳帆结构静动力学建模方法

2.2.1　太阳帆静力学分析

2.2.2　太阳帆“中心刚体＋挠性附件”动力学方程

2.2.3　太阳帆动力学耦合系数计算

2.2.4　太阳帆全杆模型

2.2.5　太阳帆全帆模型

2.2.6　太阳帆全柔性动力学方程

2.3　太阳帆姿态轨道耦合动力学建模方法

2.3.1　太阳帆姿态轨道耦合动力学模型建立

2.3.2　姿态轨道振动耦合动力学降阶模型

2.4　基于时变光压力的动力学数值仿真分析

2.4.1　振动变形对太阳帆所受光压力的影响

2.4.2　振动变形对太阳帆姿态和轨道的影响