太阳帆航天器编队维持和重构的方法研究

研发中的太阳帆
尹怀勤
【期刊名称】《天津科技》
【年(卷),期】2005(32)1
【摘要】2004年8月9日，日本宇宙研究开发机构宣布，当天下午3点15分，该机构在鹿儿岛发射一枚S-310-34小型火箭，火箭在太空中旋转飞行时，成功地打开了直径为10米的两个树脂薄膜太阳帆。

由于这是在太阳帆研发征途上取得的一项重要成果，因而引起了世人的兴趣和关注。

【总页数】2页(P51-52)
【作者】尹怀勤
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】G3
【相关文献】
1.太阳帆技术在探索中前进 [J], 刘豪
2.太阳帆板驱动中堵转现象的分析 [J], 王凤鸣;刘暾
3.图像检测在航天器太阳帆板遮挡分析中的应用 [J], 邵益凯;丁丕满;薛孝补;曹琼
4.太阳帆推进特性分析及在小行星探测中的应用 [J], 刘宇飞;王立;曾祥远;
5.模糊PID控制在太阳帆板驱动机构系统中的应用 [J], 林东姝;王宇;葛立良
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第29卷第1期2008年1月宇 航 学 报Journal of AstronauticsVol.29JanuaryNo.12008考虑太阳帆板指向的编队卫星相对姿态跟踪控制张治国,李俊峰,宝音贺西(清华大学航天航空学院,北京10084)摘 要:编队飞行一种应用是受控卫星对目标卫星跟飞或者绕飞,有效载荷指向目标卫星以执行各种任务。

研究了太阳帆板固定的卫星姿态控制,在保证有效载荷始终指向目标卫星的前提下,使得太阳帆板尽可能朝向太阳。

给出了太阳帆板法线与太阳光夹角最小的几何条件。

采用四元数状态反馈的控制律实现了姿态跟踪,仿真结果检验了控制律有效性及太阳帆板朝向太阳的效果。

关键词:卫星;编队飞行;姿态跟踪控制;太阳帆板指向中图分类号:V448.22 文献标识码:A 文章编号:1000-1328(2008)01-0202-07收稿日期:2006-12-01; 修回日期:2007-09-19基金项目:国家自然科学基金(10672084);高等学校博士学科点专项科研基金(20060003097)0 引言近年来,卫星编队飞行是卫星应用的重要研究领域之一。

其中一种可能的应用是,以受控卫星在目标卫星或者空间站、载人飞船周围以编队飞行的方式相伴飞行,受控卫星可以对目标卫星进行观测或者进行更多的操作,例如监视空间站外形结构、太阳帆板等结构组合是否处于正常位置和状态。

还可以应用于消除空间垃圾碎片、与控制系统失效的飞行器进行通讯、在深空中观测小行星表面[1]。

它有很大的经济价值和科学意义,可以减少费用昂贵且有一定风险的航天员舱外活动。

这样的应用第一次出现在世界上,是俄罗斯和德国合作研制的/Inspec -tor 0微小卫星[2-4]。

为进行这样的绕飞观测,需要对受控卫星的姿态进行控制,使得受控卫星的某个面始终对准目标。

对此国内外相关的研究文献较少,林来兴的研究是关于轨道动力学与控制[2-4]。

文献[5]对卫星编队飞行星间相对姿态跟踪机动控制作了初步研究,验证了控制律的有效性。

太阳帆的技术原理及实现摘要：本文对太阳帆的工作原理及技术进行了研究。

分析了推进原理，技术核心——帆的材料和扬帆方式，提出了太阳帆实现所遇到的技术难点，最后本文介绍了太阳帆的最新进展。

一、引言由于作为人类传统太空交通工具火箭，要探测远太空时必须携带的大量燃料，而箭体质量过大，又会严重降低发射过程中所获得的加速度，这使火箭机动性着有局大的限制。

所以人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖，找到新的动力方式。

因此以太阳光作为动力的“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的唯一希望，银河系中有约4000亿颗发光的恒星，现在已经发现的宇宙中类似银河系的星系约1500亿个，这些数量极其巨大的恒星产生的光，有可能把太阳帆飞船送往人类想去的任何地方，因为只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行，而且加速度的不断累积可使太阳帆获得极高的速度，如果设计合理，从理论上说，太阳帆的最高速度可以达到光速的2%(6000公里/秒)，这足以实现人类遨游太空的梦想。

二、推进原理设某恒星发射的一个光子动量为P, 能量为E’，动质量为m’，在t时间内共有n个光子打到太阳帆上并以相反方向被反弹，F为帆面所受的力。

则有Ft=2nP (1)设t为单位时间，(1)式可化简为F=2np (2)由E’=m’c^2 P=m’c 可得P=E’/c (3)设E为打在太阳帆上光子的总能量可得E=n E’(4)由(2) 、(3) 、(4) 可得F=2E/c (5)设飞船质量为m，由(5)推得a=F/m=2E/mc (6)已知太阳帆飞船——“宇宙”1号的帆面积为530．93平方米，质量为48kg，垂直于太阳光的每平方米每秒截面上辐射能量为1. 5×103 J可得a=2E/mc=530．93×2×1. 5×103/ (48×3×108)=1.1×10-4m/s^2不计太空中飞行的阻力，不考虑相对论质速关系,三年后速度v=a×t=1.1×10-4×3×365×24×60×60=10407 m/s三、太阳帆的实现技术3.1 帆的材料目前被视为最好的光帆是一种由聚酰亚胺树脂高分子材料制成的非常轻而薄的薄膜，它坚硬异常而且具有抗热和抗宇宙射线的特征，表面真空镀铝，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆上后，帆将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。

太阳帆在深空探测中的应用研究一、引言太阳帆是一种非常特殊的航天探测技术，它不使用化石燃料，而是利用太阳光来推进飞船。

这使得太阳帆被视为未来深空探测的理想选择，尤其是对于太阳系外行星的寻找和探测。

在本文章中，我们将探讨太阳帆在深空探测中的应用研究。

二、太阳帆的原理太阳帆是一种被动推进技术，它利用太阳光粒子的动量来推进飞船，这种推进力被称为辐射压力或者光压力。

太阳光粒子具有质量和能量，它们与太阳帆表面相互作用并传递动量。

当太阳光粒子命中太阳帆表面时，能量被转化为太阳帆的动能，从而推进整个飞船。

三、太阳帆在太阳系内的应用1. 恒星际贸易恒星际贸易是一种虚构的概念，在科幻小说作品中被广泛使用。

然而，太阳帆也可以使这一想象成为现实。

太阳帆可以用来运输货物和人员，在不同的星球之间建立恒星际贸易网。

2. 星际发送器太阳帆可以用作一种非常有效的星际发送器，它能够向星际空间发送探测器，将它们送往其他恒星系。

太阳帆可以在太阳系内短时间内加速探测器至高速，但是它们不能应用于需要准确定位或小范围飞行的任务。

四、太阳帆在太阳系外的应用随着太阳系外行星的发现，太阳帆也被视为未来太阳系外行星的探测工具。

由于太阳系外行星距离地球非常遥远，传统的火箭推进技术不再适用。

太阳帆则可以利用太阳光的辐射压力来推进探测器，使其进入太阳系外并前往目标行星。

1. 探测行星太阳帆可以用于探测太阳系外行星，特别是对于那些距离地球非常远的行星。

太阳帆可以将太空望远镜和探测器加速至非常高的速度，以到达这些目标行星。

2. 建立网络随着越来越多的太阳系外行星被发现，太阳帆也可以用于建立太阳系外探测网。

太阳帆可以带着大量的探测器和通信设备，前往遥远的行星，并通过太阳帆的推进作用，把通信信号传回地球。

五、太阳帆的优势和不足1. 太阳帆可以使用免费和无限的太阳光来推进探测器，这种推进方式比传统的化石燃料火箭更加环保和经济。

2. 太阳帆的辐射压力非常小，因此需要非常大的太阳帆来提供足够的推力。

航天工程中的太阳光帆技术研究太阳光帆技术是一种利用太阳光的辐射压力来推动飞行器在太空中运动的新兴航天技术。

自20世纪60年代以来，科学家们一直在研究太阳光帆技术，并取得了一定的进展。

本文将介绍太阳光帆技术的原理、研究进展和应用前景。

太阳光帆技术的原理很简单：利用太阳光的辐射压力来推动飞行器运动。

太阳光是由大量的光子组成，当这些光子撞击帆膜时，会产生反冲力，使得飞行器获得推力。

太阳光帆技术的优势在于可以使用无限的太阳能作为动力源，同时也没有燃料消耗，因此具有非常长的寿命。

太阳光帆技术的研究在上世纪60年代初开始。

当时，美国国家航空航天局（NASA）首次提出了太阳光帆技术的概念，并展开了一系列实验研究。

在1973年，NASA成功地发射了世界上第一艘太阳光帆驱动的飞行器，“多射线太阳光帆实验卫星”（Mariner 10）。

然而，太阳光帆技术的发展却面临着一系列的挑战。

其中最主要的问题是太阳光的能量密度太小，导致推力非常微弱。

为了解决这个问题，科学家们提出了一种利用太阳光的集中器来提高辐射压力的方法。

这种集中器被称为光纤束导向器，它的作用是将散乱的太阳光聚集成一束光线，使得推力更加强大。

另一个挑战是如何控制太阳光帆的姿态和方向。

由于太阳光帆的面积非常大，飞行器容易受到各种外力的影响而导致姿态失控。

为了解决这个问题，科学家们研究了一种被称为“智能纤维”的材料，该材料具有自适应、可变形的特性，可以根据外部环境自动调整太阳光帆的形状和姿态。

在现代航天工程中，太阳光帆技术已经得到了广泛的应用。

目前，太阳光帆技术主要用于深空探测任务，例如太阳系外行星探测器、小行星探测器和彗星探测器等。

利用太阳光的辐射压力，这些飞行器可以实现长期的持续推进和极高的精确导航能力。

此外，太阳光帆技术还有其他潜在的应用领域。

例如，太阳光帆可以用于太阳系内的宇宙垃圾清理任务，通过给宇宙垃圾安装太阳光帆，使其逐渐脱离地球轨道，最终进入太空黑洞。

文章编号:1006-1630(2011)02-0053-10太阳帆航天器研究及其关键技术综述荣思远,刘家夫,崔乃刚(哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘　要:综述了国内外关于太阳帆航天器的研究成果。

介绍了太阳帆航天器的构型与材料、姿态控制、轨道控制及任务分析、试验验证及动力学仿真分析等的研究进展,讨论了太阳帆航天器轻质高强度帆体、折叠储存与展开控制、结构设计、姿态控制、地面试验及在轨演示验证,以及测试与诊断等关键技术,分析了未来太阳帆航天器的发展趋势。

关键词:太阳帆航天器;姿态控制;轨道任务;太阳帆材料;关键技术中图分类号:V423.9 文献标志码:AA Review of Solar Sail Spacecraft Research and Its Key TechnologyRONG Si -yuan ,LIU Jia -fu ,CUI Nai -gang(College o f A st ronautics Enginee ring ,Ha rbin Institute o f T echno log y ,Ha rbin Heilong jiang 150001,China )Abstract :T he so lar sail spacecraf t re sear ch achiev ements at home and abroad w ere summarized in this paper .T he re searches o f co nfigur ations and materials ,attitude co ntrol ,o rbit contro l and task analy sis ,tests and dy namics simula tion ana ly sis fo r the sola r sail spacecraft we re introduced .T he key techno lo gies of so la r sail spacecraft such a s sail with sma ll mass and hig h intensity ,fo ld sto re and deploy ment contro l ,str ucture desig n ,at titude co nt rol ,g round test and in -o rbit approv al ,and test and diag nosis w ere a lso discussed .T he dev elo pment t rend o f solar sail spacecraf t in the future w as analy zed .Keywords :Solar sail spacecraft ;A ttitude contr ol ;O rbital mission ;So lar sail material ;Key techno log y 收稿日期:2009-11-19;修回日期:2009-12-08 基金项目:国家自然科学基金(10772057) 作者简介:荣思远(1974—),男,博士,讲师,主要研究方向为航天器动力学与控制、自主导航及滤波方法。

太阳帆航天器设计及优化太阳帆航天器的设计与优化太阳帆航天器是一种基于太阳光压力的推进方式的航天器。

其工作原理是利用太阳光线的光子对物体施加微弱的力，从而推动太阳帆船运动。

太阳帆的设计与制造对于推动太阳帆船的速度及方向至关重要。

下面将从太阳帆的结构设计、帆材料的选择以及空间太阳能电池制作等方面，探讨太阳帆航天器的优化设计。

一、太阳帆的结构设计太阳帆的结构是影响太阳帆航天器运动轨迹的主要因素之一。

太阳帆结构的设计需要考虑光压力、空气阻力、重量等因素。

传统太阳帆的形状通常是四边形，然而研究表明，六边形太阳帆更适合在太空中运行。

因为六边形能够避免太阳光压力带来的扭曲形变，提高了太阳帆的稳定性和推进效率。

在太阳帆的设计中，还需要考虑通道的设计问题。

通道在太阳帆的结构中起到了支撑的作用。

在设计太阳帆的通道时，需要考虑太阳帆的形状和大小，以及通道的强度和稳定性问题。

为了提高太阳帆的安全性和可靠性，通道的设计必须经过严格的计算和仿真，并进行实验验证。

二、太阳帆材料的选择太阳帆航天器的推进力量来源于太阳光线，因此太阳帆的材料选择必须具有良好的反射光能力。

常用的太阳帆材料有：金属薄膜、碳纤维等。

金属薄膜反射率较高，但是较脆弱，容易损坏。

碳纤维的强度和稳定性比较好，但是价格较高，制造成本也较高。

除了反射率外，太阳帆材料的质量也是重要的考虑因素。

航天器的发射重量是一个重要的考虑因素，因此太阳帆材料必须轻便且结实。

轴向向量玻璃纤维是一种轻量、强韧的材料，适合用于太阳帆的制造。

此外，太阳帆材料的耐热、耐辐射及其化学稳定性也需要在材料选择中考虑。

三、空间太阳能电池的制作太阳帆航天器需要持续不断地获取太阳能，把光能转化为电能，才能维持船的基本运行。

因此，太阳帆船需要配备高效率的太阳能电池。

目前，空间太阳能电池的制作已经相当成熟。

这种太阳能电池是利用半导体材料的光电特性制造的。

在制造太阳能电池时，需要考虑太空中的辐射、微重力环境处的静电、断电等问题，同时要保证电池的电压、电流和工作温度都在合理的范围内。

太阳帆的研究与应用太阳帆，又称为光帆，是一种利用太阳能推动飞行器移动的航天工程技术。

它借助太阳光斥力的推进来加速运动，是一种低成本、高效能的推进方式。

太阳帆因其独特的技术特点，在太空探索、科学研究、天体观测和星际探测等领域都具有广泛的应用前景。

一、太阳帆的发展历程太阳帆的概念最早可以追溯到17世纪，当时众人已发现光具有压力的性质。

20世纪初，俄国科学家推测在太空中向外发射光，将会对飞行器产生轻微的推力。

而美国科幻小说家格理·克莱因(Robert W. Bussard)首先在1958年的科幻小说中提出了光帆的概念。

1961年，世界首个太阳帆船舶发射成功，这标志着太阳能帆的公认出现。

1974年，美国第一个大面积太阳帆Sail 1发射成功，进入了历史舞台。

二、太阳帆的原理和特点太阳帆需要利用光线的斥力，而这个斥力被称为光压。

在太阳发出的光线中，存在着微小的动能和动量，这些动量的载体是光子。

太阳帆利用太阳光的能量来推进载体，从而实现自身运动。

太阳帆织物的材质通常采用金属表面，以确保充分利用光压。

此外，太阳帆必须保持在连续的太阳光下，以便光斥力的连续性。

太阳帆的主要特点是低成本、无污染、无限寿命、强环保和高效能。

相较传统的推进方式，深空探测中的太阳帆不但克服了飞行中的耗时、各种致病因素以及载体耗能等问题，同时具有良好的环保性能，这也是大多数国家致力于太阳帆研究的原因。

三、太阳帆的应用领域太阳帆可用于多个领域的应用，主要包括：1. 太空探索：太阳帆因其在推进过程中不会产生环境污染等特点，具有较高的在太空探索中的应用前景，比如监测地球气候、空气质量或促进太阳系外行星的探索等。

2. 科学研究：太阳帆还可以用于探测太阳和行星，尤其在观测透过东射流产生的核反应和探索太阳极区等方面，具有很大的潜力。

3. 天体观测：太阳帆还可以帮助人们在航天器降落期间进行降落痕迹的观测、探测火星、土星、小行星、彗星和飞越太阳拍摄图片等。

太阳帆航天器姿态机动的复合控制研究翟坤;张瑾;王天舒【摘要】输入成型法无法消除姿态机动过程中的柔性振动,残留的柔性振动将改变大柔性太阳帆航天器的结构参数,影响姿态机动的控制精度.为此,基于两种控制手段(作用于太阳帆中心的喷气和作用于支撑杆顶端的电推进)的组合,提出复合控制方法,以消除姿态机动过程中的柔性振动.采用将帆面质量等效到支撑杆的简化方法,建立太阳帆航天器姿态运动与柔性振动的耦合动力学模型,并从减小振动模态的外加激励出发,根据简化的动力学模型,得到了两种复合控制的设计方法:消除某一阶的柔性振动方法和减小前n(n＞1)阶的柔性振动方法.仿真结果表明,相比输入成型法,第二种复合控制方法不但机动时间短,还能够将姿态机动过程中的柔性振动抑制到5％,使机动角度精度优于0.003°.由于仅利用已有的控制手段,复合控制方法算法简单,适合于实际应用.【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2013(033)006【总页数】8页(P1-8)【关键词】姿态机动;输入成型;振动抑制;复合控制;太阳帆航天器【作者】翟坤;张瑾;王天舒【作者单位】清华大学航天航空学院,北京100084;清华大学航天航空学院,北京100084;清华大学航天航空学院,北京100084【正文语种】中文1 引言太阳帆航天器（简称太阳帆）是一种直接利用太阳光子在高反射薄膜表面反射产生推力的新型航天器[1]。

无需携带大量推进剂，就可实现太阳系的深空探测和星际航行任务。

太阳帆在进行深空探测和星际航行等任务过程中，根据任务需不断进行姿态机动，调整太阳帆与太阳光线的夹角，以获得合适的推力。

太阳帆具有大柔性空间结构，姿态机动将激起太阳帆的柔性振动，产生影响姿态机动的耦合力矩。

而不同于一般的柔性航天器，太阳帆航天器没有质量占优的中心刚体，柔性振动还会造成太阳帆出现严重变形，使转动惯量等结构参数发生剧烈变化，改变太阳帆的动力学特性；同时变形还会造成太阳帆受力不均，产生额外的干扰力矩。