一种宇宙飞船用的太阳帆的制作方法
【专利摘要】一种宇宙飞船用的太阳帆，其主要结构是：一柔性材料制成的环形充气囊；一柔性材料制成的反光薄膜固定在该环形充气囊的圆形面上，该反光薄膜上镀有反光层；一刚性材料制成的支撑杆，穿过反光薄膜的中心，并通过牵引绳与环形充气囊相连接；环形充气囊处于充气状态时，将折叠状态的反光薄膜扩展开。本发明的太阳帆，具有扩展面积对折叠体积的比值最大的特点，折叠状态体积小，有利于发射升空，而在太空阶段扩展面积大，有利于获得大的推力。
【专利说明】—种宇宙飞船用的太阳帆
【技术领域】
[0001]本发明属于航天领域，涉及利用光压获得宇宙飞船推力的技术，更具体地涉及一种用于宇宙飞船的太阳帆。
【背景技术】
[0002]由照射在镜面上的光子所产生的反作用力作为飞船航行的动力，已经由设想变为现实。
[0003]1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁.齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。
[0004]2005年，北京时间22日4时46分，俄罗斯用“波浪”火箭发射了以光为动力的“宇宙一号”(Cosmos-Ι)世界上第一艘太阳帆宇宙飞船于飞船，但发射约20分钟后地面控制站突然接收到混乱信号，此后就与飞船失去了联系。
[0005]升空的飞船由8片三角形聚酯薄膜帆板组成，耗资400万美元，是美国俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金科学生产联体花费数年时间联合建造的。
[0006]2010年，日本宇宙航空研究开发机构称，已确认“Ikaros”太阳帆飞船的太阳帆成功展开，并公开了飞船上摄像头拍下的图像。该飞船在太空中像船帆一样展开薄膜，以太阳光的微小压力作为前进动力。
[0007]报道指出，“Ikaros”5月同金星探测器“拂晓”号一起发射后，转动直径1.6米、高
0.8米的圆柱形机体,在离心力作用下徐徐展开薄膜帆。
[0008]日本科研人员确认“Ikaros”在距地球约770万公里的太空中顺利展开了边长14米的正方形帆。外置于帆中心机体上的摄像头拍下这一图像并传回了地球。
[0009]“Ikaros”的薄膜帆由可自由调节光反射的特殊材料制成，可用于加速、减速及改变方向。在接近金星之前的约半年中将反复进行太阳帆试验，未将来开发深空探测器积累经验。
[0010]从上述简介可以看出，远程宇宙飞船采用太阳帆以获得推力，已经被国际航天界
高度重视。
[0011]上述远航宇宙飞船的太阳帆，在发射的时候都是折叠，以减少所占用体积。所用反光元件都是用反光薄板。打开方式基本采用机械离心力甩开(像扇子甩开一样)，或用充气柱把反光薄板撑开。
[0012]公知技术中采用板型折叠的太阳帆的缺点是:
[0013](I) 一个大的太阳帆是由若干个小板组成，而每一小块的小板是不可折叠的，其尺度受火箭尺度限制，所以其总面积不可能做得超大，例如，薄膜原则上做到直径数百米，甚至数千米都可能，而板型则做不到；
[0014](2)板的质量比薄膜要重得多，即使面积不很大，也比薄膜型重得多，其发射成本也高得多。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于提供一种宇宙飞船用的太阳帆。
[0016]为实现上述目的，本发明提供的太阳帆主要结构是:
[0017]一柔性材料制成的环形充气囊；
[0018]一柔性材料制成的反光薄膜固定在该环形充气囊的圆形面上，该反光薄膜上镀有反光层；
[0019]一刚性材料制成的支撑杆，穿过反光薄膜的中心，并通过牵引绳与环形充气囊相连接；
[0020]环形充气囊处于充气状态时，将折叠状态的反光薄膜扩展开。
[0021]所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，环形充气囊的柔性材料是橡胶或塑料或气密织物。
[0022]所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，反光薄膜的柔性材料是橡胶、塑料或织物。
[0023]所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，支撑杆的刚性材料是镁铝合金、不锈钢、钛合金或碳纤维。
[0024]所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，牵引绳是尼龙、植物纤维、动物纤维或碳纤维。
[0025]由于本发明的环形充气囊和反光薄膜所用材料的特点是:
[0026]1、柔性好以获得好的折叠性；
[0027]2、结实且抗紫外辐射性好；
[0028]3、重量轻。
[0029]由此，本发明的优点是:获得扩展后的面积与折叠后的体积的比值最大。也就是说与公知的太阳帆相比较，本发明的反光面积与折叠后体积的比值大；此外，本发明的反光面积与折叠后质量的比值大。这些对于用火箭发射是非常必要的。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明太阳帆扩展后的结构示意图。
[0031]附图中主要标记符号说明:
[0032]I环形充气囊；2反光薄膜；4支撑杆；3、5、6、7牵引绳。
【具体实施方式】
[0033]本发明的太阳帆所采用的反光元件是薄膜型，打开方式是用压缩气体撑开一个和反光薄膜边缘黏贴在一起的环形气囊。该气囊就像一条自行车内胎，当内部冲入一定压强的气体后会扩展成一个圆环，与充气前被折叠的状态无关。环形充气囊扩展开来之后，黏贴在其上的反光薄膜也由折叠状态扩展成圆形型反光镜。
[0034]下面结合图1进行说明。
[0035]本发明的环形充气囊I由柔性好，气密性好的材料制成(如橡胶、塑料或其它气密织物)，未充气时处于折叠状态，充气时扩展成一个大圆环。反光薄膜2也是由柔性，机械强度好材料制成(如橡胶、塑料或织物)，在反光薄膜的两个面上用镀膜方法涂高效反光层。反光薄膜黏贴在环形气囊上的圆形面上。牵引绳3、5、6、7是用轻质、断裂极限拉力大的材料制成(如尼龙、植物纤维、动物纤维或碳纤维)，用以连接、固定气囊和支撑杆。支撑杆4由质轻的刚性材料(如镁铝合金、不锈钢或钛合金)制成，支撑杆4与反光薄膜2中心部位固定在一起，同时还通过牵引绳3、5、6、7与环形充气囊I连接，将环形充气囊1、反光薄膜2和支撑杆4连接为一体。
[0036]火箭发射时，太阳帆是处于折叠状态，以减少所占空间体积，升空并到达预定位置后。去掉折叠太阳帆的束缚，再通过充放气阀向气囊内充气，使气囊扩展成一个大圆环，反光薄膜扩展成一个大反光镜，太阳光射到反射镜上，在反射镜上的光压同过支撑杆传导给飞船，飞船就获得了前进动力。通过调整各条牵引绳的长度就可以改变飞船获得动力方向。
[0037]实施例1
[0038]如图1所示。环形充气囊I由柔性好，气密性好的橡胶材料制成。环形充气囊的内径4厘米，扩展后的圆形面积的直径为2米。反光薄膜2由柔性，机械强度好塑料薄膜材料制成，反光薄膜黏贴在环形气囊的圆形面上，反光薄膜的两面用镀膜方法涂高效银反光层。
[0039]牵引绳3、5、6、7由高强度尼龙制成；支撑杆4由外径5厘米的轻质的刚性材料硬质塑料管制成，管壁厚度5毫米。
[0040]支撑杆4与反光薄膜2的中心部位通过螺栓及垫板固定在一起，支撑杆4还通过牵引绳3、5、6、7与环形充气囊I连接。
[0041]支撑杆4的一端通过螺栓固定在一个支架(代替飞船)上。
[0042]本实施例的装置可以很好的折叠，充气后很快扩展成直径2米的反光镜。折叠重量10千克，体积0.015立方米。所产生的光压推力为0.66达因。
[0043]实施例2
[0044]如图1所示。其中环形充气囊I为塑料材料制成，其内径6厘米，扩展后圆形面积的直径为4米。反光薄膜2是由塑料薄膜材料制成，黏贴在环形充气囊的圆形面上，反光薄膜的两个面上用镀膜方法涂高效金反光层。牵引绳3由高强度尼龙制成；支撑杆4由外径8厘米的轻质的刚性材料镁铝合金管制成，管壁厚度6毫米。其它同实施例1。
[0045]本实施例的装置可以很好的折叠，充气后很快扩展成直径4米的反光镜。折叠重量23千克，体积0.069立方米。所产生的光压推力为2.64达因。
[0046]实施例3
[0047]如图1所示。环形充气囊I由柔性好，气密性好的塑料材料制成，环形充气囊I的内径为8厘米，扩展后的圆形面积的直径为8米。反光薄膜2柔性、机械强度好织物薄膜材料制成。牵引绳3、5、6、7由高强度尼龙制成；支撑杆4由外径10厘米的轻质的刚性材料镁铝合金管制成，管壁厚度8毫米。其它结构同实施例1。
[0048]本实施例的装置可以很好的折叠，充气后很快扩展成直径为8米的反光镜。折叠重量85千克，体积0.246立方米。所产生的光压推力为5.28达因。
[0049]本发明采用柔性材料制成的气囊是很好的压力记忆元件。用可折叠的柔性材料制成的环形充气囊，在内部是低气压时是可以折叠的，从而获得较小的体积。而在内部充高气压时，就扩展成一个圆形环。在上述圆形面上固定反光薄膜，再加必要的支撑以获得远程宇宙飞船太阳帆。因此，本发明的太阳帆具有扩展面积对折叠体积的比值大的特点，适于制备超大(例如直径千米)的太阳帆。折叠状态体积小有利于发射升空，而在太空阶段扩展面积大有利于获得大的推力。
【权利要求】
1.一种宇宙飞船用的太阳帆，其主要结构是: 一柔性材料制成的环形充气囊； 一柔性材料制成的反光膜固定在该环形充气囊的圆形面上，该反光薄膜上镀有反光层； 一刚性材料制成的支撑杆，穿过反光薄膜的中心，并通过牵引绳与环形充气囊相连接; 环形充气囊处于充气状态时，将折叠状态的反光薄膜扩展开。
2.根据权利要求1所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，环形充气囊的柔性材料是橡胶或塑料或纤维气密织物。
3.根据权利要求1所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，反光薄膜的柔性材料是橡胶、塑料或织物。
4.根据权利要求1所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，支撑杆的刚性材料是镁铝合金、不锈钢、钛合金、硬质塑料或碳纤维。
5.根据权利要求1所述宇宙飞船用的太阳帆，其中，牵引绳是尼龙、植物纤维、动物纤维或碳纤维。
【文档编号】B64G1/44GK103786903SQ201210418924
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2012年10月26日
【发明者】周岳亮, 石洪菲, 王灿, 何萌, 吕惠宾, 杨国桢 申请人:中国科学院物理研究所