太陽帆航天器姿態控制技術綜述

韓艷鏵，張震亞，賈 杰

（1. 南京航空航天大學 航天學院，南京210016；2. 南昌航空大學 信息工程學院，南昌330063）

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隨著航天器飛行的距離越來越遠，在軌任務的時間變得更長，意味著依靠傳統的反作用力推進的航天器在發射時需要攜帶更多的工質和能源，從而導致航天器的發射質量隨之增加，進一步增加發射階段的難度和成本。

近年來，太陽帆作為一種新型航天器推進手段受到矚目。航天器通過搭載大面積、輕質量的薄膜型太陽帆所產生的太陽光壓獲得推進力。太陽帆推進技術不再需要依靠推進劑的噴射消耗，可降低航天器發射的成本與難度[1-4]。2010年5月21日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）成功發射了星際太陽輻射驅動風箏航天器（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun，IKAROS），是航天史上首次成功發射的太陽帆航天器，標志著太陽帆技術研究邁出了里程碑式的一步。

與傳統航天器相比，太陽帆航天器具有以下特點：

1）帆面質量極小。太陽帆面材料通常為聚合物薄膜材料，厚度極薄，質量極小。以 IKAROS為例，聚酰亞胺薄膜帆面積約為 130 m2，厚度為7.5 μm，帆膜部分的質量僅為1.849 kg[5-6]。

2）轉動慣量巨大。太陽帆的直徑通常為數十至數百米，其轉動慣量巨大。以美國阿連特技術系統公司（ATK Space Systems）研制的邊長為160 m、重440 kg的方形太陽帆航天器為例[7]，其繞滾轉軸的轉動慣量達642 876 kg·m2，繞俯仰軸和偏航軸的轉動慣量均為321 490 kg·m2，可見三軸的轉動慣量遠遠超過普通航天器。

3）光壓干擾力矩較大。由于實際裝配誤差以及帆面展開時的扭曲形變等因素，使得太陽帆實際質心與光壓壓心往往并不重合，太陽光壓力會對帆面產生較普通航天器大得多的干擾力矩。……