胡 馳，郭 寧，陳 昊，黃德東,2，徐 超,2

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 青島研究院，青島 266200；3. 湖北航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)所，武漢 430040）

0 引言

立方星具有質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、研發(fā)周期短和功能密度高等優(yōu)點(diǎn)，已在空間演示驗(yàn)證、科學(xué)研究及組網(wǎng)式衛(wèi)星通信等方面得到廣泛應(yīng)用[1-3]。截至2019 年1 月，超過900 顆立方星被發(fā)射入軌，如歐盟主導(dǎo)的QB50 項(xiàng)目、印度的一箭104 星以及西北工業(yè)大學(xué)的“翱翔之星”等。由于立方星攜帶的燃料有限，導(dǎo)致其工作壽命很短，一般為數(shù)天到數(shù)月。立方星結(jié)束工作任務(wù)后，如果不能及時(shí)離軌就會(huì)變成空間碎片，占用大量的軌道資源，嚴(yán)重威脅在軌航天器的安全。

目前，對(duì)于空間碎片的清理技術(shù)主要有激光清理、捕捉清理、電動(dòng)力繩系清理及空氣阻力帆技術(shù)等。激光清理技術(shù)主要分為推進(jìn)式和燒蝕式2 種[4]。推進(jìn)式是利用激光作用于碎片表面，使空間碎片獲得一個(gè)速度增量來偏移初始軌道；燒蝕式是采用高能激光長時(shí)間作用于空間碎片，使其直接升華。這2 種清理方式對(duì)空間碎片的位置探測(cè)與瞄準(zhǔn)發(fā)射的精度要求非常高，且產(chǎn)生高能激光需要消耗大量的能量，因此，清理碎片成本高，不適于實(shí)現(xiàn)大量空間碎片的清理。采用捕捉方式[5]進(jìn)行空間碎片的清理通常分為2 步：首先利用抓捕裝置對(duì)空間碎片實(shí)施抓捕作業(yè)，然后將空間碎片儲(chǔ)存起來通過軌道轉(zhuǎn)移飛行器進(jìn)行統(tǒng)一處理。由于軌道轉(zhuǎn)移飛行器空間和能量的限制，這種方式所能清理的空間碎片數(shù)目有限，且清理成本較高。利用電動(dòng)力繩系方式清理空間碎片的原理為：在空間碎片上附著一條帶電導(dǎo)線，碎片在軌飛行過程中，帶電導(dǎo)線切割地球磁場的磁力線產(chǎn)生洛侖茲力，可使碎片在洛侖茲力的作用下脫離原先的運(yùn)行軌道，最終進(jìn)入大氣層燒毀[6]。這種清理方式的不足之處是，帶電導(dǎo)線電流非常小，通常需設(shè)計(jì)數(shù)千米甚至數(shù)十千米長的纜繩，而繩索難以控制，在軌飛行過程中展開困難。

空氣阻力帆技術(shù)[7]的原理是：通過展開一張面積較大的帆膜來增大衛(wèi)星面質(zhì)比，從而增大衛(wèi)星在軌飛行時(shí)受到的稀薄大氣阻力，使衛(wèi)星飛行速度降低，進(jìn)而促使其軌道衰減，加速墜落到大氣層內(nèi)燒毀。這種清理方式不需要消耗大量能量，且阻力帆裝置質(zhì)量小、體積小、成本低，非常適合近地軌道立方星的離軌。本文將闡述國內(nèi)外已發(fā)射的主要空氣阻力帆裝置的技術(shù)特點(diǎn)，分析阻力帆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三大關(guān)鍵技術(shù)，并就有關(guān)空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)情況進(jìn)行歸納討論。

1 國內(nèi)外已發(fā)射的主要空氣阻力帆裝置

1.1 NanoSail-D2 立方星上的阻力帆裝置[8-9]

NanoSail-D2 立方星攜帶的阻力帆裝置采用徑向展開方式（如圖1[8]所示），展開面積為10 m2。其依托FASTSAT 衛(wèi)星平臺(tái)于2010 年11 月19 日發(fā)射升空，2011 年1 月20 日在軌成功展開。

圖1 NanoSail-D2 立方星及其展開的阻力帆[8]Fig.1Configuration of NanoSail-D2[8]with deployed drag sail

NanoSail-D2 立方星輔助離軌阻力帆裝置分為帆膜儲(chǔ)箱和展開裝置2 部分，如圖2 所示。展開裝置由彈性桅桿、中心軸、導(dǎo)軌桿、壓緊機(jī)構(gòu)及支撐柱等組成。當(dāng)阻力帆裝置工作時(shí)，彈性桅桿釋放自身儲(chǔ)存的應(yīng)變能帶動(dòng)帆膜向外展開。在彈性桅桿向外運(yùn)動(dòng)的過程中，壓緊機(jī)構(gòu)壓緊彈性桅桿，防止彈性桅桿向外擴(kuò)張時(shí)造成裝置卡死。然而，此種阻力帆裝置的彈性桅桿運(yùn)動(dòng)速度較快，在展開結(jié)束階段會(huì)回縮，影響衛(wèi)星的姿態(tài)控制，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的減速裝置。

圖2 NanoSail-D2 立方星輔助離軌阻力帆裝置[8]Fig.2 The deployable drag sail of NanoSail-D2[8]

1.2 Deorbit Sail[10-11]

英國薩里大學(xué)空間科學(xué)中心實(shí)施了衛(wèi)星快速離軌試驗(yàn)項(xiàng)目——“離軌帆”（Deorbit Sail），其阻力帆裝置的帆膜為5 m×5 m×7.5 μm 的Kapton 薄膜。Deorbit Sail于2015 年7 月10 日成功發(fā)射入軌。

Deorbit Sail 阻力帆裝置主要由可伸縮箱體、帆膜和彈性桅桿展開機(jī)構(gòu)3 部分組成?？缮炜s箱體（如圖3[10]所示）可以在彈簧的作用下展開，給衛(wèi)星?阻力帆裝置的質(zhì)心與壓心之間提供一個(gè)偏置，從而提高裝置在低軌道上的穩(wěn)定性。該阻力帆裝置使用Dyneema 線將帆膜綁住，展開前利用鎳鉻合金電阻絲通電加熱將線燒斷，圖4[10]所示為Dyneema線綁縛下折疊狀態(tài)的Kapton 帆膜。彈性桅桿為3.6 m長、0.25 mm 厚的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料彈性桅桿。展開裝置包括1 個(gè)轉(zhuǎn)軸、1 個(gè)電機(jī)、4 組導(dǎo)向桿和4 組壓桿，如圖5[10]所示。當(dāng)阻力帆裝置不工作時(shí)，通過銷釘將轉(zhuǎn)軸和電機(jī)鎖死；阻力帆裝置工作時(shí)，銷釘可在杠桿裝置的作用下被拔出從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的解鎖。整個(gè)展開機(jī)構(gòu)在直流電機(jī)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，彈性桅桿帶動(dòng)帆膜展開。

圖3 Deorbit Sail 阻力帆裝置的可伸縮箱體[10]Fig.3 Retractable box for Deorbit Sail[10]

圖4 Deorbit Sail 阻力帆裝置的折疊狀態(tài)Kapton 帆膜[10]Fig.4 Folded Kapton film for Deorbit Sail[10]

圖5 Deorbit Sail 阻力帆裝置的彈性桅桿展開機(jī)構(gòu)[10]Fig.5 Deployment mechanism of elastic boom for Deorbit Sail[10]

1.3 AEOLDOS[12-13]

AEOLDOS（Aerodynamic End Of Life De-Orbit System）阻力帆裝置由英國格拉斯哥大學(xué)與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制，采用徑向展開方式。該裝置重372 g，帆膜展開面積為1 m2，體積為0.4 U（1 U=10 cm×10 cm×10 cm）。帆膜材料為透明聚酰亞胺薄膜，厚度為12 μm，采用“蛙腿（frog-leg）式”方法折疊。

裝置由箱門，卷尺彈簧，8 對(duì)導(dǎo)向軸承及花瓣輪轂軸承，4 片三角形帆膜和4 個(gè)梯形帆膜儲(chǔ)箱組成，如圖6[13]所示。其中花瓣輪轂軸承由壓電易碎螺母（piezo frangibolt）鎖緊，解鎖裝置如圖7[13]所示。當(dāng)阻力帆裝置需要工作時(shí)，給壓電易碎螺母通電，螺母碎開后，卷尺彈簧由高能纏繞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芷街睜顟B(tài)，花瓣輪轂軸承開始轉(zhuǎn)動(dòng)；4 根卷尺彈簧各推動(dòng)1 個(gè)箱門向外運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與箱門相連的帆膜向 外展開。

圖6 AEOLDOS 阻力帆裝置[13]Fig.6 AEOLDOS drag sail module[13]

圖7 AEOLDOS 阻力帆裝置的解鎖裝置[13]Fig.7 Unlocking device for AEOLDOS drag sail[13]

1.4 CanX-7衛(wèi)星上的阻力帆裝置[14-18]

CanX-7衛(wèi)星上使用的離軌系統(tǒng)由加拿大多倫多大學(xué)空間飛行實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，包括4個(gè)三角形阻力帆裝置，總展開面積為4.25m2。其帆膜材料為聚酰亞胺薄膜，厚度12.5μm，采用“雙手風(fēng)琴（double accordion）式”方法折疊。CanX-7衛(wèi)星于2016年9月發(fā)射入軌，2017年5月展開阻力帆。

圖8[15]所示為CanX-7的阻力帆裝置的主要部件及其裝配關(guān)系。其中地面支持裝置僅用于阻力帆裝置的地面裝配，通過齒輪與轉(zhuǎn)軸上下兩端的法蘭盤相配合，便于阻力帆裝置裝配過程中卷尺彈簧的纏繞。

圖8 CanX-7的阻力帆裝置主要部件[15]Fig.8CanX-7’s drag sail module’smain parts[15]

CanX-7阻力帆裝置采用切向展開方式，由箱蓋、側(cè)板、轉(zhuǎn)軸外殼、電控系統(tǒng)、箱體、卷尺彈簧、轉(zhuǎn)軸、帆膜儲(chǔ)箱和解鎖裝置等部件組成。解鎖裝置采用燒斷式，包含電阻絲、纖維線、側(cè)板和彈簧等部件。其中：纖維線選用Vectran 高強(qiáng)度多芳基化合物纖維；電阻絲選用鎳鉻耐熱合金，螺旋狀纏繞在纖維線上，便于快速加熱熔斷纖維線，縮短解鎖時(shí)間。當(dāng)阻力帆裝置接收到工作指令后，衛(wèi)星上電源給電阻絲通電，電阻絲發(fā)熱燒斷纖維線，側(cè)板在彈簧作用下打開，卷尺彈簧繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，向外帶動(dòng)帆膜展開。

1.5 PW-Sat 衛(wèi)星上的阻力帆裝置[19-20]

PW-Sat 衛(wèi)星上的阻力帆裝置由波蘭華沙理工大學(xué)研制，采用旋轉(zhuǎn)式展開方法。阻力帆裝置的體積小于1U，帆膜展開面積為4 m2，帆膜選用厚5μm的Mylar 聚酯薄膜。為了避免薄膜被撕裂，在其邊緣用Kapton 聚酰亞胺膠帶進(jìn)行加厚。PW-Sat 衛(wèi)星于2018 年發(fā)射入軌。

PW-Sat 的阻力帆裝置如圖9[19]所示，主要包含帆膜儲(chǔ)箱、錐形彈簧、中心軸、卷尺彈簧及解鎖裝置等。帆膜兩直角邊與卷尺彈簧相連，纏繞在中心軸上，中心軸通過解鎖裝置（見圖10[19]）鎖定在帆膜儲(chǔ)箱內(nèi)，此時(shí)錐形彈簧處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)阻力帆裝置收到工作指令后，其上頂板打開，解鎖裝置解鎖，錐形彈簧將中心軸及卷尺彈簧沿法向方向一同從帆膜儲(chǔ)箱內(nèi)彈出。錐形彈簧保持中心軸不動(dòng)，卷尺彈簧帶動(dòng)帆膜繞中心軸旋轉(zhuǎn)展開。采用此種展開方式，需要保證錐形彈簧具有較好的穩(wěn)定性，以避免阻力帆裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)造成影響。

圖9 PW-Sat 阻力帆裝置[19]Fig.9Thedrag sail moduleof PW-Sat[19]

圖10 PW-Sat 阻力帆裝置的解鎖裝置[19]Fig.10Unlocking devicefor PW-Sat’sdrag sail module[19]

1.6“淮安號(hào)”恩來星的阻力帆裝置[21]

南京理工大學(xué)研制的“淮安號(hào)”恩來星是一顆環(huán)保型衛(wèi)星，用于開展基于空氣阻力帆技術(shù)的主動(dòng)離軌試驗(yàn)。其阻力帆裝置如圖11[21]所示，展開方式與PW-Sat 衛(wèi)星的阻力帆裝置類似。阻力帆采用雙面鍍鋁的聚酰亞胺薄膜，展開面積為1.2m2，帆膜收攏狀態(tài)下阻力帆裝置體積為?70mm×60mm?！盎窗蔡?hào)”恩來星于2018年發(fā)射入軌。

圖11 “淮安號(hào)”恩來星的阻力帆裝置[21]Fig.11Thedrag sail moduleof “Huaian” satellite[21]

1.7 “青藤之星”的阻力帆裝置[22]

天儀研究院自主研制的“青藤之星”攜帶的阻力帆裝置如圖12[22]所示，預(yù)計(jì)在衛(wèi)星入軌6個(gè)月后展開，展開面積為0.7m2，可以使衛(wèi)星在6～12個(gè)月內(nèi)離軌。“青藤之星”于2019年1月發(fā)射入軌。

圖12 “青藤之星”阻力帆裝置展開狀態(tài)[22]Fig.12Deployed state of “Qingteng Star”drag sail module[22]

1.8 “速降”阻力帆裝置

“速降”阻力帆裝置由西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院研制，主要由卷尺彈簧、帆膜、中心軸、導(dǎo)軌柱、帆膜儲(chǔ)箱、箱體、法蘭盤及阻力塊等組成，如圖13所示。卷尺彈簧纏繞在中心軸上，以儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能，為阻力帆展開提供驅(qū)動(dòng)力矩。帆膜展開面積為1m2。上、下2個(gè)法蘭盤的主要作用為限位，避免卷尺彈簧在展開過程中上下跳動(dòng)。阻力塊用于限制卷尺彈簧向外展開的速度，從而減緩卷尺彈簧展開末期的回縮抖動(dòng)。導(dǎo)軌柱用于保證卷尺彈簧沿固定方向展開。

圖13 “速降”阻力帆裝置Fig.13“Alight quickly” drag sail module

“速降”阻力帆裝置的解鎖裝置為燒斷式，由彈簧、鎖桿、纖維線和電阻絲組成，安裝在箱體頂板上，如圖14所示。

圖14 “速降”阻力帆裝置的解鎖裝置Fig.14Unlocking device for “Alight quickly”drag sail module

2 阻力帆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

從已有空氣阻力帆結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)來看，其關(guān)鍵技術(shù)包括支撐臂設(shè)計(jì)，帆膜設(shè)計(jì)與分析，帆膜折疊技術(shù)3個(gè)方面。

2.1 支撐臂設(shè)計(jì)

阻力帆裝置中的彈性桅桿既提供展開動(dòng)力又起支撐作用。在地面原理性驗(yàn)證中，為了降低開發(fā)成本和周期，通常采用卷鋼尺作為彈性桅桿。在實(shí)際搭載中，為避免干擾衛(wèi)星的正常通信，彈性桅桿的制備材料通常選用鈹銅合金等無磁性材料，如CanX-7、PW-Sat 上阻力帆裝置的彈性桅桿。

卷尺彈簧是一種開口殼結(jié)構(gòu)，具備展開彎矩穩(wěn)定及自鎖定等特性，已被大量應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)中，如空間可展開天線[23]、帆板展開機(jī)構(gòu)[24]、空間展開望遠(yuǎn)鏡[25]及展開平臺(tái)[26]等。其常用材料有鈹銅合金和碳素鋼，也有利用復(fù)合材料制備的。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)卷尺彈簧的力學(xué)性能做了大量研究工作。劍橋大學(xué)Seffen 等[27]研究了一種由碳纖維和環(huán)氧樹脂等復(fù)合材料制成的卷尺彈簧的展開彎矩隨轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。王俊等[28]分析了卷尺彈簧長度、厚度、截面半徑及截面圓心角對(duì)組合鉸鏈展開驅(qū)動(dòng)彎矩的影響，結(jié)果表明鉸鏈彎矩與厚度呈三次方關(guān)系，與圓心角呈線性關(guān)系，與長度及截面半徑關(guān)系不大。魏玉卿等[29]定義了卷尺彈簧折疊過程中的沖擊比，用來衡量其展開過程中的平穩(wěn)程度，并研究了卷尺彈簧厚度及截面圓心角對(duì)應(yīng)變能、展開彎矩及沖擊比的影響，結(jié)果表明厚度對(duì)應(yīng)變能和沖擊比影響較大，圓心角對(duì)應(yīng)變能影響較小。張道威等[30]設(shè)計(jì)了用于帆板展開的彈性鉸鏈，并推導(dǎo)了厚度和彎曲剛度對(duì)太陽帆板結(jié)構(gòu)基頻的影響關(guān)系。

通過研究不同參數(shù)對(duì)卷尺彈簧性能的影響，可以更好地設(shè)計(jì)卷尺彈簧的截面形狀及參數(shù)，分析阻力帆裝置的動(dòng)力學(xué)特性。開口殼結(jié)構(gòu)正向彎曲時(shí)，彎曲剛度較小，抵抗外力干擾能力較差。為增強(qiáng)彈性桅桿的截面穩(wěn)定性，彈性桅桿也可設(shè)計(jì)成對(duì)稱截面形狀，例如，“人”字形或“豆莢”形（分別如圖15[8]和圖16[31]所示）。為減小彈性桅桿的質(zhì)量，可選用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行制備，同時(shí)能避免桅桿對(duì)衛(wèi)星通信的干擾。

圖15 TRAC桿[8]Fig.15TRAC boom[8]

圖16 “豆莢”桿[31]Fig.16Lenticular boom[31]

2.2 帆膜設(shè)計(jì)與分析

阻力帆裝置展開后屬于空間桿索膜結(jié)構(gòu)，尺度大，力學(xué)特性復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于帆膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。Wong 等[32-34]分別利用解析法、數(shù)值法及實(shí)驗(yàn)研究了方形薄膜在剪切力作用下的褶皺行為。肖薇薇等[35]利用實(shí)驗(yàn)方法研究了剪切力的大小以及膜面預(yù)應(yīng)力對(duì)純剪切力作用下正方形薄膜陣面的褶皺特性的影響，結(jié)果表明隨著剪切力增大，薄膜褶皺數(shù)量增多，褶皺幅值增大；隨著預(yù)應(yīng)力增大，薄膜褶皺數(shù)量略微增多，褶皺幅值減小。譚峰等[36]利用修正本構(gòu)矩陣法研究了薄膜的褶皺問題。張建等[37]利用基于薄殼單元的數(shù)值仿真方法研究了張拉薄膜結(jié)構(gòu)和充氣薄膜結(jié)構(gòu)的變形、褶皺以及應(yīng)力變化情況，論證了殼單元模擬膜結(jié)構(gòu)的可行性。譚惠豐等[38]研究了薄膜的褶皺幅值對(duì)薄膜后屈曲振動(dòng)行為的影響，結(jié)果表明當(dāng)褶皺幅值較大時(shí)，需要考慮褶皺對(duì)薄膜振動(dòng)行為的影響。余志祥等[39]分析了索膜結(jié)構(gòu)中索的剛度、膜面初張力等因素對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響。Greschik 等[40]利用解析方法對(duì)太陽帆進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，但是其存在簡化假設(shè)過多和分析過程、方法極為復(fù)雜的問題。Sleight 等[41]在有限元分析中，針對(duì)空間桿索膜結(jié)構(gòu)的自由飛行狀態(tài)，利用有限元分析中的慣性釋放技術(shù)來分析其結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性。Taleghani等[42-43]對(duì)一個(gè)邊長分別為10 m 和20m 的三角形帆膜進(jìn)行靜力分析。Sleight 等[44]對(duì)比了分別利用NASTRAN和ABAQUS有限元軟件求解10m×10 m 方形太陽帆靜力問題以及動(dòng)態(tài)特性的結(jié)果。Banik等[45]對(duì)20 m×20m 方形太陽帆進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱分析，研究了不均勻的溫度場對(duì)帆膜結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

阻力帆裝置中，拉索一般只能承受拉力，不能承受壓力，為典型非線性元件；薄膜厚度很小，需要在預(yù)張力條件下才能承受面外載荷，且易于發(fā)生褶皺，需采用非線性分析方法進(jìn)行求解；剛性桿在組合結(jié)構(gòu)中起到預(yù)張力基礎(chǔ)和維持航天器構(gòu)型的作用，但其剛度一般與組成系統(tǒng)的索和膜的剛度相差若干數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致非線性分析收斂困難。因此，空間桿索膜組合結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)分析難度較大，是新概念超大尺度空間結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 帆膜折疊技術(shù)

帆膜能否順利展開關(guān)系到阻力帆裝置能否發(fā)揮作用，因此帆膜的折疊及展開方式是阻力帆裝置應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常要求：1）薄膜折疊之后應(yīng)能滿足尺寸要求；2）折痕長度越短越好；3）折疊方法應(yīng)盡量簡單[46]。

“蛙腿式”或“雙手風(fēng)琴式”是阻力帆裝置常用的帆膜折疊方法?！巴芡仁健闭郫B方法先沿著等腰三角形帆膜底邊的平行方向進(jìn)行一系列的等距“Z”形折疊，將帆膜折疊為長條狀；然后從長條狀的中間部分開始，向兩側(cè)進(jìn)行一系列的不等距“Z”形折疊，以使最終折疊體能夠和帆膜儲(chǔ)箱匹配，如圖17所示。

圖17 “蛙腿式”折疊方法示意Fig.17Frog-leg folding

“雙手風(fēng)琴式”折疊方法與“蛙腿式”折疊方法相似，但折疊方向不同，具體為：先沿著等腰三角形帆膜底邊的垂向進(jìn)行一系列的等距“Z”形折疊，將帆膜折疊為長條狀；然后沿著該長條寬度的平行方向進(jìn)行一系列的不等距“Z”形折疊，以使最終折疊體能夠和帆膜儲(chǔ)箱匹配，如圖18所示。

圖18 “雙手風(fēng)琴式”折疊方法示意Fig.18Double accordion folding

上述2種折疊方法均具備折疊展開流程簡單的特點(diǎn)，以及很好的可重復(fù)折疊展開能力。通過這2種方法折疊而成的折疊體能夠很好滿足阻力帆結(jié)構(gòu)的尺寸要求。但是，利用“蛙腿式”折疊方法折疊而成的帆膜在三角形底邊區(qū)域無法展開，展開效率比用“雙手風(fēng)琴式”折疊方法折疊而成的要低。

3 阻力帆空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)

為了保證阻力帆系統(tǒng)的可靠性，必須在地面進(jìn)行熱真空和熱輻射等空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)[47-48]，評(píng)估阻力帆材料暴露于空間輻射環(huán)境后的熱光學(xué)和機(jī)械性能。此外，為了驗(yàn)證阻力帆機(jī)構(gòu)與相應(yīng)火箭發(fā)射環(huán)境的兼容性以及運(yùn)輸過程的安全性，還需要對(duì)阻力帆機(jī)構(gòu)進(jìn)行發(fā)射環(huán)境測(cè)試，以確保阻力帆機(jī)構(gòu)在發(fā)射振動(dòng)載荷以及通風(fēng)情況下仍能夠正常工作[49]。

3.1 ATK 及L’Garde公司20m大型可展開帆膜結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)[49-50]

2003年，NASA 資助了2個(gè)直徑為20m 的空間可展開帆膜結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，由ATK 公司以及L’Garde公司分別設(shè)計(jì)制作。在2005年中期，2個(gè)研制團(tuán)隊(duì)利用GRC 梅溪站的30m 真空實(shí)驗(yàn)室對(duì)各自的帆膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為全面的真空熱循環(huán)及展開試驗(yàn)，如圖19[50]所示。

圖19 梅溪站真空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署的20m 帆膜系統(tǒng)[50]Fig.19Two20msolar sailprototypesfor testin thevacuum chamber of GRCPlum Brook Station[50]

為了保證帆膜系統(tǒng)的所有組件在助推器上升期間排出帆膜系統(tǒng)中存在的殘余氣體，L’Garde公司進(jìn)行了收納狀態(tài)下的帆膜系統(tǒng)上升通風(fēng)試驗(yàn)，如圖20[49]所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示，帆膜、橫梁和葉片中的所有殘留氣體都可以在不造成任何系統(tǒng)損壞或干擾的情況下溢出。

圖20 L’Garde 可展開帆膜系統(tǒng)（收納狀態(tài)）上升通風(fēng)試驗(yàn)[49]Fig.20Theascent venttestforL’Gardesolar sailsystem(folded)[49]

同時(shí)，為了驗(yàn)證展開帆膜系統(tǒng)與德爾塔-2型火箭發(fā)射振動(dòng)環(huán)境的兼容性，L’Garde公司利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了發(fā)射振動(dòng)試驗(yàn)，在x、y、z三個(gè)方向上分別加載了德爾塔-2的發(fā)射振動(dòng)載荷，以驗(yàn)證所研制的展開帆膜系統(tǒng)的振動(dòng)可靠性，振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖21[49]所示。

圖21 L’Garde 可展開帆膜系統(tǒng)發(fā)射振動(dòng)試驗(yàn)[49]Fig.21ThelaunchvibrationtestforL’Gardesolarsail system[49]

3.2 美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室10m2 可展開帆膜系統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)[51]

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和美國航空航天局馬歇爾航天飛行中心（MSFC）聯(lián)合研制了一種10 m2的可展開帆膜系統(tǒng)——EDU2，并進(jìn)行了相應(yīng)空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括熱真空環(huán)境下的4次熱循環(huán)試驗(yàn)以及50次展開收納試驗(yàn)[51]。

試驗(yàn)中，可展開帆膜機(jī)構(gòu)被安裝于真空室的承載板上[51]。在整個(gè)真空試驗(yàn)期間真空室壓力保持在1×10-4torr（1.333×10-2Pa）以下。熱循環(huán)試驗(yàn)的熱浸和冷浸溫度分別設(shè)置為(70±2)℃和[-20(+5/-10)]℃，第一次熱浸和最后一次冷浸各保持8h。原計(jì)劃在熱循環(huán)試驗(yàn)期間進(jìn)行50次帆膜展開/收納試驗(yàn)，但由于帆膜承載板的安裝不合理，在第46次展開過程中帆膜掛在了安裝板上，導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。

3.3 馬歇爾航天飛行中心環(huán)境影響小組的帆膜空間輻射環(huán)境試驗(yàn)[48]

為了評(píng)估在地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）的輻射環(huán)境下鍍鋁聚酯薄膜的熱光學(xué)和機(jī)械性能，馬歇爾航天飛行中心的環(huán)境影響小組對(duì)鍍鋁聚酯薄膜進(jìn)行了空間輻射環(huán)境試驗(yàn)，利用低能電子（LEE）測(cè)試系統(tǒng)（如圖22[48]所示）對(duì)4種不同材料（鍍鋁聚酰亞胺薄膜、鉻背襯鍍鋁聚酯薄膜、鍍鋁聚酯薄膜以及鍍鋁透明聚酰亞胺薄膜）進(jìn)行了試驗(yàn)，將試驗(yàn)件暴露在與GTO電子輻射劑量相當(dāng)?shù)哪M輻射環(huán)境下，分別于1個(gè)月、2個(gè)月、4個(gè)月和6個(gè)月后測(cè)試其力學(xué)性能。最終的試驗(yàn)結(jié)果顯示，除鍍鋁聚酰亞胺（Kapton）薄膜外，其他所有薄膜材料均在1～2個(gè)月內(nèi)損毀。

圖22 MSFC的低能電子（LEE）測(cè)試系統(tǒng)[48]Fig.22Low energy electron (LEE)systemsat MSFC[48]

3.4 國內(nèi)有關(guān)模擬試驗(yàn)技術(shù)條件及研究現(xiàn)狀

近年來，我國的空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)研究也取得了大量成果。上海衛(wèi)星裝備研究所與北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所合作研發(fā)了KM5B大型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并已經(jīng)成功完成了多次航天器系統(tǒng)級(jí)真空熱試驗(yàn)[52]。此外，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心以及北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所還相繼開展了空間等離子體環(huán)境模擬與試驗(yàn)技術(shù)的研究[53]。針對(duì)大型空間可展開結(jié)構(gòu)，如衛(wèi)星太陽電池陣的空間環(huán)境展開試驗(yàn)，上海宇航系統(tǒng)工程研究所提出了一種微重力模擬懸吊裝置[54]。但是，我國目前最大的空間環(huán)境模擬器KM8的直徑為17m，難以開展20m 以上規(guī)模的阻力帆裝置的真空展開實(shí)驗(yàn)以及熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

此外，對(duì)于空間輻射環(huán)境的模擬，國內(nèi)研究對(duì)象主要集中于空間環(huán)境對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料及系統(tǒng)的影響，對(duì)空間可展開薄膜結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究以及地面試驗(yàn)還比較缺乏。

4 展望及建議

空氣阻力帆技術(shù)非常適用于近地軌道立方星的離軌，但國內(nèi)開展的相關(guān)研究較少，應(yīng)予以推進(jìn)，以盡快掌握阻力帆技術(shù)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)。建議從以下4個(gè)方面開展研究：

1）結(jié)合非線性動(dòng)力學(xué)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，深入研究阻力帆展開過程中整體系統(tǒng)的力學(xué)問題，如大面質(zhì)比空間柔性帆膜多柔體動(dòng)力學(xué)建模，多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的高效求解等；

2）搭建完善的地面環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，包含能夠模擬火箭發(fā)射過程中的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，真空、輻射以及高低溫環(huán)境等試驗(yàn)，以便充分驗(yàn)證阻力帆裝置的可靠性；

3）制定空氣阻力帆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指南和相關(guān)技術(shù)手冊(cè)；

4）在空氣阻力帆技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展其他膜航天器，如太陽帆等的研制等工作。