淺談利用太陽能驅動帆開展火星探測

孔偉 鄧宏輝 楊芳 周青軍

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

關鍵詞 火星探測 光壓 霍曼軌道轉移

中圖分類號：V529.1文獻標識碼：A

1背景介紹

太陽能驅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，太陽能驅動帆通過調整自己的姿態來改變航行軌跡。單個光子所產生的推力極其微小，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。假定太陽能驅動帆是由質量為7克/米2的材料制成的，在當太陽光從太陽能驅動帆表面反射時，光所施加的壓力等于其能量密度的兩倍。假設帆是由質量為7克/米2的材料制成的;一枚火箭將發射總重量為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動帆航天器從地球到火星的飛行計劃。假設地球和火星在發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。優化飛行計劃以最大限度地提高有效載荷。當地球和火星在發射的時候是最接近的（地球處于遠日點，火星處于近日點），可以確定發射時刻火星、地球、太陽三者的運動狀態與位置，以此時刻、此位置作為模型的初始時刻和初始位置。當火箭將太陽能驅動帆航天器發射以逃離地球，此時太陽能驅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，假設在此軌道上剛好滿足霍曼軌道轉移的夾角要求，此時打開太陽能驅動帆進行加速，沿著霍曼轉移軌道運行，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。

2理論模型

3總結

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