【原】【热点聚焦】NASA太阳能帆即将升空，碳纤维材料助其减重75%且抗热变形能力提高100倍

根据美国宇航局发布的最新消息显示，旨在在地球轨道上测试新型太空旅行材料的太阳帆任务计划最快于4月24日发射。在该任务中，一种被称为先进复合材料太阳能帆系统（Advanced Composite Solar Sail System，ACS3）的下一代太阳能帆技术将搭载火箭实验室的电子火箭从该公司位于新西兰Māhia的1号发射中心发射升空。这项技术可以推动未来的太空旅行，并扩大人类对太阳和太阳系的了解。

太阳帆可以利用阳光的压力来推进，它使光子从反射的帆上反弹来推动航天器。这消除了重型推进系统，可以实现更长的持续时间和更低的成本任务。虽然此前的任务如行星学会著名的LightSail 2，已经证明小型航天器确实可以利用太阳能帆行驶数百万英里，并根据需要改变轨道，但这些任务使用了金属吊杆，这种吊杆不但很重，而且由于太空中剧烈温度波动，可能会发生不可预测的变形。

LightSail 2号是第一艘展示受控太阳航行的小型航天器，利用来自太阳的光子来调整其轨道，上图展示的是2020年1月19日，LightSail 2号上的相机拍摄的非洲之角和亚丁湾的图像

与之相比，美国NASA表示ACS3系统比LightSail大四倍，使用了由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的更轻的吊杆，这种吊杆足够坚固，可以拉紧太阳帆，同时足够灵活，可以紧凑地折叠发射。

美国NASA开发的新型轻量化太阳能帆

先进的复合材料太阳能帆系统演示使用NanoAvionics公司制造的十二单元（12U）立方体卫星来测试一种由柔性聚合物和碳纤维材料制成的新型复合材料吊杆，该吊杆比以前的吊杆设计更硬、更轻。该任务的主要目标是成功演示新的吊杆展开，一旦展开，该团队还希望验证太阳能帆的性能。

就像帆船转向捕捉风一样，太阳能帆可以通过调整帆的角度来调整轨道。在评估了吊杆展开后，该任务将测试一系列操作，以改变航天器的轨道，并为未来可能的更大任务收集数据。

在美国NASA兰利研究中心工作的该任务首席研究员Keats Wilkie指出，以往吊杆通常使用较重的金属材料，或者是由体积庞大的轻质复合材料制成的，这两种材料都不适合今天的小型航天器。太阳能帆需要非常大、稳定、轻便的吊杆，可以紧凑地折叠。这种帆的吊杆是管状的，可以像卷尺一样压扁并卷成一个小包装，同时具有复合材料的所有优点，比如在温度变化时不会弯曲。

NASA埃姆斯公司的质量工程师Mariano Perez正在检查先进复合材料太阳能帆系统航天器

在到达距地球约1000公里的太阳同步轨道后，航天器将开始展开横跨聚合物帆对角线的复合材料吊杆。大约25分钟后，太阳能帆将完全展开，面积约80平方米，大约相当于6个停车位的大小。安装在航天器上的摄像机将捕捉到风帆的重要时刻，并在部署过程中监测其形状和对称性。如果照明条件合适，飞船的大帆可以从地球上看到。一旦完全展开并处于正确的方向，船帆的反射材料将像夜空中最亮的恒星天狼星一样明亮。

先进太阳能帆中的碳纤维复合材料结构

太阳能帆使用复合材料制成的吊杆进行部署和支撑。一旦卫星进入轨道，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）。

太阳帆系统在发射时可安装在一个12U立方体卫星上

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。

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。

太阳帆吊杆刚度大、重量轻、收纳紧凑，碳纤维结构也使它们在高温下不容易弯曲

实现未来的太阳能航行

通过美国NASA的小型航天器技术计划，太阳能帆的轻质复合材料吊杆的成功展开和运行将证明其能力，并为更大规模的月球、火星和更远的地方的任务打开大门。这种吊杆设计可能支持未来500平方米的太阳能帆，大约有篮球场那么大，而这次任务成功带来的技术可以支持2000平方米的帆，大约半个足球场。

先进复合材料太阳能帆系统航天器利用太阳的能量在太空中航行的概念图

由于帆使用太阳的力量，它们可以提供恒定的推力来支持需要独特有利位置的任务，例如那些试图了解太阳及其对地球影响的任务。长期以来，太阳帆一直是携带预警系统监测太阳天气的任务所需的能力。太阳风暴和日冕物质抛射会对地球造成相当大的破坏，使电网过载，扰乱无线电通信，并影响飞机和航天器。

除了太阳能航行之外，复合材料吊杆中轻量化设计和紧凑的包装系统可能使其成为在月球和火星上建造栖息地的完美材料，可以作为建筑物的框架结构或紧凑的天线杆，为探索月球表面的宇航员创造通信中继。