太阳帆推移离轨的方法和优化

太阳光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到太阳帆时，可以给予被撞击部位一定作用力，短时间内光子撞击产生的作用力微乎其微，但是通过持续的推力累积，便可以形成较大的速度增量，在没有空气阻力的宇宙空间中，太阳光光子会连续撞击太阳帆，使太阳帆获得的动量逐渐递增，从而达到要求的加速度。由于太阳光粒子数量巨大并且遍布宇宙空间，因此，太阳帆以其作动力，并且不需要消耗任何推进剂，具有其他推进系统无法替代的优点，可广泛应用于低成本、大速度增量的太阳系飞行任务，是一种很有前景的新型空间推进方式。

基于太阳帆的基本原理，它同样可用于推移空间碎片离轨，进而完成清除任务，如图8-6所示。地球轨道上的空间碎片如果装载（属于自主离轨方式）或附着（通过任务航天器添加）了太阳帆，则可以利用太阳帆指向太阳产生辐射压力，经过连续不断的工作，使得空间碎片偏离原来的轨道，抬升或降低到新的轨道，最终实现离轨。碎片轨道的抬升或降低可以通过控制太阳帆与太阳光之间的几何关系实现，这些操作一般都由太阳帆上的控制机构执行，而要产生足够的辐射压力，则需要较长操作时间。现实中太阳帆的代表性例子是英国的“立方体太阳帆”（CubeSail）计划，其通过发射一颗3 kg的纳卫星，试验太阳帆清除空间碎片的技术可行性。“立方体太阳帆”可附着在空间碎片上，并携带碎片坠入大气层[80]。

图8-6　太阳帆推移空间碎片离轨示意图(www.xing528.com)

由于在各种高度的轨道上均存在太阳光压，所以这种方法的适用范围也非常广。在较低的轨道（例如LEO）上，可以利用太阳光压和大气阻力共同作用来为碎片增阻，使得碎片降轨速度加快；在较高的地球同步轨道上，太阳辐射压力演变为主要的摄动力，此时光压将作为主要离轨动力推动碎片升轨。J.Angel Borja等以地球同步轨道的三轴稳定卫星为例，研究了利用太阳辐射压力推动卫星离轨的技术可行性，重点分析了太阳光压对卫星半长轴和偏心率的影响[81]。

目前，太阳帆的主要研究机构有俄罗斯巴巴金空间研究中心、RSA、ESA、DLR、英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）及美国的戈达德航天飞行中心、喷气推进实验室、兰利研究中心和MSFC等。从1993年开始，俄、美、日等进行了8次太阳帆空间试验，只有日本于2010年5月20日发射的金星探测器“伊卡洛斯”（Ikaros）（质量为315 kg）获得了圆满成功，并在2010年12月8日飞越金星[82]。