碳纤维复合材料太阳能帆助力卫星在太空扬帆远航

如今，随着外太空任务数量的成倍增加，太空探索正重新获得自70年代以来从未有过的活力。随着太空活动的蓬勃发展，美国国家航空航天局NASA与德国航空航天中心DLR合作，开发了一种用于用于推动立方体卫星的太阳帆。人类向来以星辰为向导，在公海上驰骋，而现在，我们要借助风帆征服外太空。

因为许多技术因素，太空探索在过去几年中突飞猛进。部件小型化是大幅降低尺寸和重量的关键，从而促进了立方体卫星等卫星的发展。为了不断改进这些设备，美国国家航空航天局NASA正在提供一种利用太阳辐射的太空移动新方法。通过开发太阳能帆系统，NASA正在彻底改变推进的概念。这是一种颠覆性的创新技术，具有许多优势。

产生推力的太阳能帆

在发射航天器时，装载到运载火箭上物体的总重量是影响成本的一个决定性因素。自2018年8月以来，先进复合材料太阳帆系统（ACS3）计划一直由美国NASA兰利研究中心和德国航空航天局协调。

太阳帆有效地解决了上述问题，因为它不需要携带燃料，也不需要包括电力推进系统来推动船只或设备通过外太空。该系统于2022年5月进入开发的最后阶段，旨在验证依赖于简单概念的纳米卫星(如CubeSat)推进概念。

它使用了一个外部太阳能帆，该帆使用复合材料制成的吊杆进行部署和支撑。一旦立方体卫星进入轨道，飞船上的四个复合材料吊杆就会从飞船上解开，形成一个X形框架。这个X形框架用于支撑接下来部署的四个帆段。

由于吊杆长7米，船帆每侧9米，总面积为81平方米。帆的反射膜材料对于利用太阳辐射和产生足够的推力来移动卫星至关重要。由于太阳辐射压力非常小，实际的太阳帆必须非常大，重量轻，并且非常紧凑，以装载在立方体卫星和小卫星有效载荷体积内。ACS3太阳帆系统的尺寸适合12单位（12U）立方卫星（下图）。

ACS3太阳帆系统在发射时可安装在一个12U立方体卫星上。摄像机将记录太阳帆展开和最终形状的图像，以便在地面上进行分析

像羽毛一样轻

ACS3吊杆由碳纤维增强聚合物材料制成，碳纤维是过去十年在薄层复合材料上取得的进步。德国航空航天中心的工程师们能够用多向纤维增强的超薄复合材料制造吊杆。这使得可以创建一个可以折叠或缠绕在卷轴上的柔性结构。线轴被放置在立方体卫星的四个角落，并启动以部署吊杆，每个吊杆的重量只有900克，也就是不到两磅。

与阿波罗计划（Project Apollo）的所有部件都由金属制成相比，这些新的吊杆总体上节省了约75%的重量。更重要的是，它们在外太空中抵抗热变形的能力要强100倍。此外，它们在船上占用的空间较小，因为它们可以滚动进行紧凑的装载。对于81平方米的总表面积来说，帆本身的重量只有0.5克。与之相比，一个花生仁大约重1克！因此，ACS3计划为优化重量和尺寸提供了前所未有的手段。

图片 ACS3太阳帆吊杆刚度大、重量轻、收纳紧凑，复合材料结构也使它们在高温下不容易弯曲

无懈可击的灵活性

不可否认，这种推进方式只能移动，但速度如此之快。另一方面，与传统的依靠加速度的推进方法不同，这种方法的优点是它可以连续工作。由于该系统使用太阳能，其目的不是在性能和速度方面与当前的推进器竞争，而是在行程方面。

只要帆暴露在太阳辐射下，它就会提供可控的推力，使立方体卫星能够像在海上航行一样在外太空航行，但它不是利用风，而是依靠太阳光线。因此，与风能相比，系统中的太阳能很容易在未来10亿年内成为可靠的能源，因为只要太阳存在，它就不会耗尽。

先进复合材料太阳帆系统（ACS3）12单元立方体卫星宇宙飞船总线正在进行组装和测试。完整的ACS3航天器尺寸约为23×23×34厘米，大约相当于一个小型微波炉的大小。

然而，这种解决方案的局限性主要在于船帆的耐用性。它可能会受到漂浮在太空中的固体材料的冲击，如果因此形成一个洞，这可能会损害它产生推力的能力。

第一颗配备ACS3太阳帆推进系统的12U型立方体卫星计划于今年年初发射。这次处女航将使吊杆和帆的部署能够在近地轨道上得到验证，此外还将对帆的设计和形状的功效进行分析。