淺談利用太陽能驅(qū)動帆開展火星探測

孔偉 鄧宏輝 楊芳 周青軍

摘 要 太陽能應(yīng)用已經(jīng)進入到商業(yè)階段，本文利用大學(xué)基本物理原理探討了利用太陽驅(qū)動帆開展火星探測的可行性，給出了具體的計算過程。

關(guān)鍵詞 火星探測 光壓 霍曼軌道轉(zhuǎn)移

中圖分類號：V529.1文獻標(biāo)識碼：A

1背景介紹

太陽能驅(qū)動帆航天器是一種利用太陽光壓進行太空飛行的航天器。在飛行過程中，太陽能驅(qū)動帆通過調(diào)整自己的姿態(tài)來改變航行軌跡。單個光子所產(chǎn)生的推力極其微小，在地球到太陽的距離上，光在一平米帆面上產(chǎn)生的推力只有0.9達因，還不到一只螞蟻的重量。因此，為了最大限度地從太陽光中獲得加速度，太陽能驅(qū)動帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。假定太陽能驅(qū)動帆是由質(zhì)量為7克/米2的材料制成的，在當(dāng)太陽光從太陽能驅(qū)動帆表面反射時，光所施加的壓力等于其能量密度的兩倍。假設(shè)帆是由質(zhì)量為7克/米2的材料制成的;一枚火箭將發(fā)射總重量為2，000千克（帆加載荷）的飛行以逃離地球。確定帆的大小和太陽能驅(qū)動帆航天器從地球到火星的飛行計劃。假設(shè)地球和火星在發(fā)射的時候是最接近的，而且飛船和火星的相對速度必須不超過9公里/秒才能安全著陸。優(yōu)化飛行計劃以最大限度地提高有效載荷。當(dāng)?shù)厍蚝突鹦窃诎l(fā)射的時候是最接近的（地球處于遠日點，火星處于近日點），可以確定發(fā)射時刻火星、地球、太陽三者的運動狀態(tài)與位置，以此時刻、此位置作為模型的初始時刻和初始位置。當(dāng)火箭將太陽能驅(qū)動帆航天器發(fā)射以逃離地球，此時太陽能驅(qū)動帆航天器已脫離了地球的引力束縛，開始繞太陽做圓周運動，假設(shè)在此軌道上剛好滿足霍曼軌道轉(zhuǎn)移的夾角要求，此時打開太陽能驅(qū)動帆進行加速，沿著霍曼轉(zhuǎn)移軌道運行，最終在與火星相對速度不超過限制值的情況下進行安全著落，完成此次飛行任務(wù)。

2理論模型

3總結(jié)

本文設(shè)計的太陽能驅(qū)動帆航天器選擇最佳發(fā)射地點在地球與火星相距最近時發(fā)射太陽能驅(qū)動帆航天器。在逃離地球之后滿足霍曼轉(zhuǎn)移的相位要求，打開太陽能驅(qū)動帆進行加速進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，在與火星相對速度不超過限制速度是進行安全著落。