未來的航天結構——航天薄膜結構概述

隨著航天技術的不斷進步，航天器承擔的任務越來越多，航天結構朝著大型化、輕質化、複雜化的方向發展。薄膜結構作為一種新興航天結構，其具有面積大、質量輕、易於收展等優點，在航天任務中具有廣闊的應用前景。薄膜結構是一類以薄膜為有效載荷載體，通過充氣或張拉成形的航天結構形式。薄膜結構可通過摺疊或捲曲方式收攏，在軌可自主展開。目前，薄膜結構在航天任務中主要有以下三個方面應用：薄膜式天線結構、薄膜式太陽翼結構、薄膜式太陽帆結構。

天線是航天器對地觀測或通信的關鍵載荷。為了提高天線性能，需要不斷提高其面積。採用傳統設計方法設計的大面積天線，其重量、體積以及機械複雜程度將非常大，以至於難以工程實現。為此，人們提出了薄膜式天線的概念。薄膜式天線通過將電路和電子元器件印刷或嵌入在薄膜上，通過收藏和支撐機構實現結構的收攏和展開，這樣可使得結構重量和體積大大減小。薄膜式天線結構作為一種新興結構，目前大多尚處於理論和地面實驗驗證階段。薄膜天線結構通常設計為平面式天線結構，少部分設計成拋物面式天線結構。

圖1為JPL（Jet Propulsion Laboratory）分別與美國的ILC Dover公司和L』Garde公司研製的薄膜式天線試驗件，其展開尺寸10m×3m，採用充氣硬化桿為邊框。

圖2為JPL研製的Ka波段充氣馬蹄形薄膜式天線，天線孔徑3m，其中充氣管與薄膜之間由16個連接點通過預拉力彈簧連接，每個連接點均可在x, y, z方向調整。

圖3為德國宇航局（DLR）研製的P波段薄膜式天線，其展開尺寸12m×3m，由複合材料豆莢桿作為支撐邊框。

圖4為加拿大航天局（CSA）研製的薄膜SAR天線，其採用Kapton薄膜結構，總面積為3.1m×3.1m，其中1.1m×1.1m為有效區域。

圖5為中國上海航天技術研究院牽頭研製的薄膜式天線樣機之一，其展開尺寸1m×3m，由三層薄膜組成。

圖6為美國L』Garde公司研製的充氣式拋物面天線。

薄膜式太陽翼結構

太陽翼是航天器在軌工作所需電能的主要來源，隨著航天任務日益複雜，其消耗電能越來越多，太陽翼的面積日益增大。為了提高太陽翼的面積，降低其質量，研究人員提出一種將太陽能電池片嵌入到張緊薄膜上的薄膜式太陽翼結構。薄膜式太陽翼因其質量輕，面積大，易於捲曲收展而大受歡迎。

圖7為哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）上的薄膜式太陽翼，該帆板採用捲軸式進行收展。

圖8為美國的太陽翼飛行試驗件（Solar Array Flight Experiments, SAFE），該帆板採用剛性桁架結構作為主梁來張緊薄膜結構。

圖9為美國ABLE公司與NASA聯合研製的下一代強撓性太陽翼系統（Next Generation Ultraflex System，NGU），該結構由10塊相連的三角形薄膜電池陣、徑向支撐桿和展開機構組成，該帆板應用於火星1號著陸器，其半徑為1.04m，單位質量功率達103W/m2。

圖10為Teledesic通訊衛星的太陽翼，其採用一對6KW的太陽能電池翼，為了降低成本，採用充氣膨脹技術展開。

圖11為採用ITSAT（Inflatable Torus Solar Array Technology）技術的太陽翼，由美國國防先進研究計劃局（DARPA）委託L』Garde公司研製，主要用於微小衛星，可迅速展開，質量極輕。

太陽帆也稱為光帆，是使用巨大的薄膜鏡片，以太陽的輻射壓做為太空推進力的一種航天器。太陽帆雖然推進力小，但其無需燃料，是很好的星際航行解決方案。同火箭和太空梭迅速消耗完的燃料相比，太陽光是無限的動力之源，只要有陽光存在的地方，它會始終推動飛船以約1mm/s2的加速度前進，通過長時間的累積，可以將航天器加速到一個很高的速度。

圖12為俄羅斯宇宙1號太陽帆，由8個15米長的超薄三角形聚酯薄膜帆組成，總面積達600多平方米，總重量為50千克，可惜其兩次發射均以失敗告終。

圖13為日本的伊卡洛斯號太陽帆，是一種由聚醯亞胺樹脂材料製成的對角線長20米的方形帆，厚度僅0.0075毫米，它在飛行中會不斷旋轉，依靠離心力使帆保持張力，其於2010年發射，並順利完成了全部在軌實驗項目。

圖14

圖14為日本JAXA設想的未來太陽帆，以期實現對木星和小行星帶的探測。

圖15和圖16分別為NASA的Nanosail-D太陽帆和LightSail-1太陽帆，其直徑約20m，NASA計劃由SpaceX公司製造的獵鷹1號火箭發射，但由於火箭發射失敗而不了了之。

圖17為NASA的Sunjammer太陽帆，其完全展開後尺寸為37m×37m，其厚度僅5微米，其將搭乘SpaceX公司的火箭進行可行性測試。

除了以上三類薄膜航天結構外，薄膜結構在航天中還有大量的應用空間，以下是兩種新概念薄膜航天結構：

圖18為霍金聯合發起的「突破攝星計劃」 (Breakthrough Starshot)，該計劃研發「超微型飛船」(nanocraft，質量為幾克的自動化太空探測器)，並利用激光推進技術（Light Beaming）將其加速到光速的1/5。如果這個計劃成功了，超微型飛船就可以在發射後20年左右到達半人馬座阿爾法星，在那裡拍攝突破，採集科學數據，並把相關信息通過激光傳送回來。

圖19為NASA 2017年NIAC第二階段項目中提出的一個薄膜航天器（Brane Craft）概念，該概念將創建配備集成太陽能電池、動力、通信、指控、姿態確定與控制、電推進和形狀控制系統的二維薄膜航天器，有望用於軌道碎片清除。該概念航天器約1米見方，厚度為幾十微米量級。

本文概述了航天薄膜結構的發展概況，文中所列舉的薄膜結構中大部分尚處於概念設計或地面實驗階段，這些航天薄膜結構在實際航天應用中尚存在許多工程難題需要解決。但是筆者相信目前面臨的難題都只是暫時的，隨著技術的進步這些難題都會被解決，這些新型的薄膜結構將會在未來的航天任務中得到廣泛的應用。

以上是筆者對航天薄膜結構的基本情況的總結，後續將進一步總結相關技術問題，歡迎關注《未來空天》微信公眾號，第一時間獲取後續文章。