空間碎片是人類航天活動的伴隨產(chǎn)物，它泛指分布在航天器軌道上并喪失功能的一切有效載荷、火箭箭體以及由它們爆炸或相互碰撞產(chǎn)生的碎片。空間碎片的存在嚴(yán)重地威脅著在軌運行航天器的安全，它們和航天器的碰撞會直接造成航天器系統(tǒng)故障，甚至導(dǎo)致航天器完全解體或爆炸。同時空間碎片的不斷產(chǎn)生對有限的軌道資源也構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，尤其是當(dāng)某一軌道高度的空間碎片密度達(dá)到一個臨界密度時，碎片之間的鏈?zhǔn)脚鲎策^程將會造成軌道資源的永久性破壞[1]。

空間碎片問題日益受到國際航天領(lǐng)域的密切關(guān)注。美國、俄羅斯、歐洲、日本等都認(rèn)識到空間碎片潛在的威脅，紛紛投入大量的人力、物力、財力進行了大量有關(guān)空間碎片減緩的研究工作，其中，國內(nèi)外多家單位提出了利用空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)，來減緩空間碎片的嚴(yán)峻形勢，其基本思想是，利用薄膜結(jié)構(gòu)大展收比的特點，設(shè)計收攏狀態(tài)小巧的離軌裝置，安裝在衛(wèi)星外壁板上，在衛(wèi)星壽命結(jié)束后啟動，展開大面積薄膜結(jié)構(gòu)，利用低軌稀薄大氣阻力，大幅加速衛(wèi)星軌道衰減，顯著縮短航天器軌道滯留時間，留出寶貴的軌道資源[2]。

本文首先介紹空間碎片嚴(yán)峻形勢和碎片減緩技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對增阻薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計技術(shù)、長壽命材料技術(shù)、折疊展開技術(shù)和低成本設(shè)計技術(shù)等進行分析。

太空垃圾日益影響空間安全，目前約有超過2/3的太空垃圾滯留在近地軌道空間，在軌正常運行航天器僅占到在軌目標(biāo)數(shù)量的6%，而各類空間碎片占40%，故障航天器占26%，無法利用的運載末子級占到18%。近地軌道空間碎片的飛行速度通常在7～8 km/s，對在軌正常運行航天器構(gòu)成極大威脅。

近年來，小衛(wèi)星的發(fā)展呈現(xiàn)井噴態(tài)勢，縱觀各國提出的發(fā)展規(guī)劃，今后十余年，發(fā)射入軌的小衛(wèi)星將數(shù)以千計，但由于小衛(wèi)星普遍壽命短、可靠性低，必將顯著加劇空間碎片的嚴(yán)峻形勢[3]。

2017年，全球共發(fā)射500 kg以下的小衛(wèi)星310顆，占同期入軌航天器總數(shù)的70.5%,2017年小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量翻倍增長，處于歷史最高發(fā)射水平[4]，如圖1所示。

美國SpaceX公司推出全球高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃“Starlink”，是一個總數(shù)量達(dá)一萬余顆的龐大星座計劃；該計劃分兩批進行，第一批發(fā)射4 425顆衛(wèi)星，第二批發(fā)射7 518顆衛(wèi)星，然而，2018年末，SpaceX公司對Starlink做出修訂，將第一批次第一階段的發(fā)射數(shù)量由1 600顆減少至1 584顆，并將衛(wèi)星軌道從1 150 km降低至550 km，此次修訂的目的正是在于減少如此龐大數(shù)量的衛(wèi)星對近地空間造成的影響。

美國行星公司(Planet)發(fā)起了立方星星座計劃“鴿群星座”，該星座為低軌遙感衛(wèi)星星座，采用3U標(biāo)準(zhǔn)立方星組成；目前，已發(fā)射入軌140顆衛(wèi)星。

一網(wǎng)公司(ONEWEB)計劃發(fā)射衛(wèi)星星座，為美國提供Ku和Ka頻段寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，該星座計劃由720顆低地球軌道(LEO)衛(wèi)星組成。

美國開普勒通信公司(Kepler)正在推進全球立方體衛(wèi)星星座，提供窄帶通信服務(wù)，實現(xiàn)地面及空間中所有物體的互聯(lián)；該星座由LEO軌道140顆Ku頻段納衛(wèi)星組成，計劃于2022年前完成星座部署。

瑞士宇宙投射公司正在構(gòu)建“宇宙廣播”(Astrocast)低軌小衛(wèi)星星座，提供遠(yuǎn)程監(jiān)測、定位服務(wù)、預(yù)防性維護保養(yǎng)和智能數(shù)據(jù)采集等服務(wù)；該星座由64顆小衛(wèi)星組成，并計劃在2021年完成星座組網(wǎng)。

我國的小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，在市場的驅(qū)動以及國家相關(guān)政策引導(dǎo)下，參與單位越來越多，已有一些組織發(fā)布了各自的小衛(wèi)星星座的計劃[5]。

中國航天科技集團東方紅衛(wèi)星移動通信有限公司正在推進“鴻雁星座”計劃，可在全球范圍內(nèi)提供移動通信、寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用服務(wù)；該星座將由300多顆低軌道小衛(wèi)星及全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心組成，預(yù)計到2022年完成系統(tǒng)一期60顆衛(wèi)星的組網(wǎng)和運營。

中國航天科工集團提出了“虹云工程”，致力于構(gòu)建一個星載寬帶全球移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提供全球無縫覆蓋的寬帶移動通信服務(wù)。計劃發(fā)射156顆衛(wèi)星，在距離地面1 000 km的軌道上組網(wǎng)運行，計劃在2022年完成星座部署。

中國航天科工四院啟動了“行云工程”天基物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星組建工作，建設(shè)低軌窄帶通信衛(wèi)星星座，打造覆蓋全球的天基物聯(lián)網(wǎng)；該工程計劃發(fā)射80顆行云小衛(wèi)星，其首顆試驗驗證星“行云試驗一號”已于2017年1月成功發(fā)射入軌。

上海歐科微航天科技有限公司提出了由40顆衛(wèi)星組成的低軌“翔云星座”計劃，旨在構(gòu)建低軌衛(wèi)星通信星座；其首顆試驗衛(wèi)星“嘉定一號”已于2018年11月發(fā)射升空，計劃于2020年左右完成星座部署。

北京九天微星科技發(fā)展有限公司提出了“星座+物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)”的部署計劃，由72顆軌道高度700 km的百公斤級衛(wèi)星組成；計劃2019年以“一箭四星”方式啟動星座組網(wǎng)和正式商用，預(yù)計于2021年完成部署長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司計劃發(fā)射138顆衛(wèi)星組網(wǎng)，為用戶提供全球范圍內(nèi)高分辨率遙感信息產(chǎn)品。

另外，一些高校、甚至是中學(xué)都開展了基于科研教育和實驗的小衛(wèi)星的研制。

近些年，軌道碎片減緩領(lǐng)域取得了一些重大進展。國際上，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會在2007年通過《太空碎片減緩指南》，以限制太空活動產(chǎn)生危險太空碎片。機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)也在2007年更新《太空碎片減緩指南》，目前已在研究低地球軌道區(qū)域的軌道碎片數(shù)量，并已發(fā)布大型低軌衛(wèi)星星座研究成果。美國國內(nèi)，NASA制定了《限制軌道碎片的程序規(guī)定》和《限制軌道碎片的流程》，并已更新用于評估合規(guī)的軟件。NASA軌道碎片項目辦公室最近也發(fā)布了一篇關(guān)于大型星座研究報告，闡述在研低軌大型星座對軌道碎片問題產(chǎn)生的影響，并提出相關(guān)建議。

衛(wèi)星技術(shù)和商業(yè)模式的迅速發(fā)展，使衛(wèi)星數(shù)量和軌道類型顯著增加，小型低成本衛(wèi)星的擴散急劇加速。美國聯(lián)邦通信委員會近期擬對現(xiàn)有的碎片減緩規(guī)則做出修訂，這是聯(lián)邦通信委員會自2004年通過該規(guī)則以來啟動的首次重大修訂，可能會對某些衛(wèi)星星座的部署計劃產(chǎn)生影響，并縮短某些試驗衛(wèi)星的在軌壽命。主要修訂內(nèi)容包括以下內(nèi)容。

(1)在650 km以上的軌道上運行的衛(wèi)星，委員會還要求申請人先將其部署在650 km以下的軌道上，檢查完畢后再將它們移動到目標(biāo)運行軌道。

(2)計劃將短期任務(wù)衛(wèi)星的在軌壽命設(shè)置修訂為不超過任務(wù)壽命的兩倍，而此前，用于技術(shù)演示驗證的低地球軌道衛(wèi)星可在幾周內(nèi)完成任務(wù)，但將在軌道上停留長達(dá)25年。

(3)要求非地球靜止軌道衛(wèi)星申請人證明其航天器在在軌壽命期間，與大型物體碰撞的概率不大于0.001，計劃將該度量指標(biāo)修訂為限制整個衛(wèi)星系統(tǒng)，即整個星座與大型物體碰撞的概率不大于0.001。

在衛(wèi)星技術(shù)快速發(fā)展、商業(yè)航天崛起的今天，美聯(lián)邦通信委員會借鑒國際和美國國內(nèi)最新的碎片減緩指南和標(biāo)準(zhǔn)，全面考慮衛(wèi)星發(fā)展對太空碎片產(chǎn)生的影響，對信息披露和衛(wèi)星運行要求提出修訂建議，這將改進并進一步明確其碎片減緩規(guī)則，減少未來碎片的產(chǎn)生，為營造一個安全、秩序良好的太空環(huán)境做出貢獻。

目前上天的小衛(wèi)星，普遍沒有考慮壽命結(jié)束后的離軌問題，而各國已經(jīng)提出的包括激光清除、機械臂抓捕、飛網(wǎng)抓捕等廢棄衛(wèi)星主動清除手段，都需要成本相對高昂的空間平臺支持。故針對未來增量衛(wèi)星，采用碎片減緩手段是大勢所趨。

碎片減緩的主要手段包括電動力繩系離軌和薄膜結(jié)構(gòu)增阻離軌技術(shù)。電動力纜繩離軌技術(shù)是將繩索的一端附著在空間碎片上，向下將展開長達(dá)數(shù)千米的纜繩，釋放并激活纜繩終端裝置，使纜繩通電。在太空中，帶電繩索切割地磁場會產(chǎn)生電動拉力，利用這種拉力，對空間碎片實施減速降軌，最終進入大氣層燒毀。薄膜結(jié)構(gòu)增阻離軌技術(shù)是利用薄膜結(jié)構(gòu)大展收比的特點，設(shè)計收攏狀態(tài)小巧的離軌裝置，安裝在衛(wèi)星外壁板上，在衛(wèi)星壽命結(jié)束后啟動，展開大面積薄膜結(jié)構(gòu)，利用低軌稀薄大氣阻力，大幅加速衛(wèi)星軌道衰減，最終進入大氣層燒毀。

縱觀各類空間碎片清除和減緩技術(shù)，空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)技術(shù)成本低、技術(shù)成熟度高，對不同規(guī)格的低軌道類航天器具有很好的適用性，是最易于推廣應(yīng)用的空間碎片清除技術(shù)。

目前，美國、英國、日本等正大力發(fā)展空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)技術(shù)，并已多次實現(xiàn)成功的在軌飛行試驗。我國也開展了多年的薄膜結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，突破了主要的關(guān)鍵技術(shù)，完成了地面樣機的研制和測試，具備了進一步工程化研制和推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

NanoSail-D任務(wù)目的是測試并演示驗證大型、低質(zhì)量、大面積的薄膜帆的離軌能力[6]，如圖2所示。這種離軌能力可用于攜帶結(jié)束任務(wù)的衛(wèi)星和空間碎片重返大氣層并完全燃燒。NanoSail-D是一個基于立方星平臺的正方形薄膜帆面，帆面面積10 m2，采用單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜材料制備，支撐桿采用彈性碳纖維薄壁桿，截面呈人字形，卷繞收攏，依靠應(yīng)變能釋放帶動帆面展開，結(jié)構(gòu)簡單輕便[7]。飛行驗證系統(tǒng)采用被動姿態(tài)穩(wěn)定，利用永磁鐵定向在磁力線方向上，然后依靠大氣阻力將薄膜帆飛行器被動穩(wěn)定在最大拖拽力姿態(tài)上[8]。2010年11月19日，NanoSail-D薄膜帆飛行器發(fā)射升空，被發(fā)送到離地球330～685 km的軌道上，于2011年1月20日展開；2011年12月，在超期工作之后，NanoSail-D重新進入大氣層并燒毀。

美國行星協(xié)會“Light Sail”項目研制了一個規(guī)格為3U(10 cm×10 cm×30 cm)的立方體衛(wèi)星[9](Cube Sat)，如圖3所示。“Light Sail”由四個三角形的帆板組成[10]，展開面積約為32 m2，材料為聚酯薄膜，整星重量約為10 kg。2015年5月20日，“LightSail”薄膜帆航天器發(fā)射升空，進入高度為800 km的預(yù)定軌道，成功進行了薄膜帆的在軌展開試驗，在稀薄大氣阻力的作用下，薄膜帆展開7天后就再入大氣層并燒毀。

“DeorbitSail計劃”是由英國薩里空間中心(SSC)進行快速離軌實驗的項目，目的在于探究清理太空垃圾的可行性[11]。當(dāng)DeorbitSail抓捕太空垃圾后打開薄膜帆，在氣阻作用下，DeorbitSail便會攜帶太空垃圾重返大氣層并燃燒殆盡，如圖4所示。“DeorbitSail”也是采用3U立方星平臺作為薄膜帆的載體[12]，與“Lightsail”的規(guī)格幾乎一致。2015年7月10日，DeorbitSail發(fā)射成功，但此次任務(wù)中，帆面未能成功展開[13]。2018年6月，薩里空間中心聯(lián)合歐洲多家研究機構(gòu)，在國際空間站成功釋放試驗衛(wèi)星，開展“太空碎片移除”系列試驗項目，包括薄膜帆展開與增阻離軌技術(shù)[14]。

日本Nihon大學(xué)提出了在納衛(wèi)星上配備用于主動離軌的充氣薄膜帆面[15]，如圖5所示，為10 kg以下的納衛(wèi)星研制了薄膜帆離軌系統(tǒng)，其總質(zhì)量低于800 g，收攏體積低于800 cm3，展開面積為1.44 m2。

荷蘭空間創(chuàng)新方案研究組織(Innovative solutions in space BV,ISIS)針對歐洲Cube Sat納衛(wèi)星從900 km圓軌道主動離軌設(shè)計了一款薄膜帆面離軌裝置(De-orbit device,iDod)。i Dod形如金字塔，如圖6所示，總質(zhì)量94 g，由一根中心長管和四根短管支撐四塊三角形膜面，收藏于衛(wèi)星電池陣下方一個83 cm×83 cm×15 cm的空間中，收納率可達(dá)20%。在衛(wèi)星壽命結(jié)束后采用充氣方式展開，采用冷氣發(fā)生器，可產(chǎn)生0.12 L的氣體，充氣壓力為0.097～0.176 MPa[16]。

加拿大在“先進航天試驗納衛(wèi)星-7”(CanX-7)上布置了4面三角形“阻力帆”，來測試增阻薄膜帆降低彈道系數(shù)、增加大氣阻力和加速衛(wèi)星軌道衰減離軌效果，每一面“阻力帆”面積約1 m2，采用彈性桿彈開薄膜帆面，如圖7所示。2017年5月，CanX-7成功展開了“阻力帆”，離軌試驗取得成功，實際測得數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)吻合。

波蘭啟動了PW-Sat2項目，目的是驗證離軌帆的展開性能和離軌效果。該薄膜帆采用四根彈性桿，每根支撐桿采用兩根截面C形的片簧組合而成，帆面與支撐桿同步卷繞收攏在約1U的立方星平臺內(nèi)，入軌后，展開邊長約2 m的正方形帆面，離軌帆與衛(wèi)星平臺采用錐形彈簧，在軌后，依靠錐形彈簧彈性恢復(fù)使得離軌帆與平臺間隔開，如圖8所示。該衛(wèi)星于2018年12月發(fā)射入軌，并成功展開離軌薄膜帆[17]。

上海宇航系統(tǒng)工程研究所在“十二五”期間，承擔(dān)了國家民用航天預(yù)研項目“深空探測太陽帆技術(shù)”，提出了太陽極區(qū)探測的150 m×150 m太陽帆方案，并突破了主要關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，針對空間碎片離軌需求，提出了低成本薄膜帆式離軌標(biāo)配裝置方案，研制了兩種典型規(guī)格的離軌帆產(chǎn)品，均采用彈性支撐桿支撐正方形薄膜帆面(圖9):(1)針對立方星平臺，設(shè)計了收攏包絡(luò)Φ60 mm×40 mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊，展開面積約2.3 m2，質(zhì)量180 g；目前產(chǎn)品已完成全部地面性能測試和環(huán)境試驗考核，計劃于2019年發(fā)射入軌，開展離軌試驗；(2)針對50 kg級的微納衛(wèi)星，設(shè)計了展開面積達(dá)25 m2的標(biāo)準(zhǔn)模塊，采用電動機驅(qū)動四根人字形薄壁桿展開正方形薄膜帆面，產(chǎn)品收攏包絡(luò)150 mm×150 mm×150 mm，質(zhì)量約3.8 kg。該產(chǎn)品也通過了地面性能測試與環(huán)境摸底試驗，預(yù)計2020年左右搭載發(fā)射。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種標(biāo)準(zhǔn)模塊化的具有快速主動離軌功能的立方體衛(wèi)星[18]，如圖10所示，其核心為超輕充氣自維型全向增阻球。充氣增阻球離軌系統(tǒng)主要包括充氣結(jié)構(gòu)增阻球、充氣控制系統(tǒng)。該增阻球采用5μm厚度的超輕高性能薄膜，通過充氣可控展開，球面上布置非連續(xù)自維型增強條形成張力回路，可在軌無壓力自維型。收攏截面尺寸10 cm×10 cm，可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)模塊化立方星。

南京理工大學(xué)提出了“淮安號”恩來星計劃，進行基于薄膜帆技術(shù)的主動離軌技術(shù)研究[19]，該立方體衛(wèi)星采用兩單元結(jié)構(gòu)，質(zhì)量2.475 kg，其薄膜帆采用雙面鍍鋁的聚酰亞胺薄膜，質(zhì)量約為300 g。展開后薄膜帆面積約為1.2 m2，收攏狀態(tài)下體積為Φ70 mm×60 mm，如圖11所示。薄膜帆通過提高衛(wèi)星在軌飛行過程中所受到的大氣阻力，加速衛(wèi)星的離軌，避免成為太空垃圾。

空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)需要在軌自主展開大面積薄膜面，其折疊收攏狀態(tài)及展開狀態(tài)面臨復(fù)雜的空間環(huán)境考驗[20]；為達(dá)到理想離軌效果，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)型、低軌大氣密度變化、衛(wèi)星姿態(tài)變化等多方面因素影響[21]；需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要包括增阻薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計、長壽命材料技術(shù)、折疊展開技術(shù)、低成本設(shè)計等。

空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)型是決定其增阻離軌效果的最重要因素。結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計需要考慮以下幾個方面的要求：(1)能夠有效增大面質(zhì)比(阻力面積/質(zhì)量)；(2)能夠在低軌稀薄大氣作用下有效產(chǎn)生阻力；(3)提供在空間碎片姿態(tài)變化情況下的綜合離軌效果；(4)構(gòu)型要易于折疊收攏；(5)構(gòu)型要利于展開過程有序可控；(6)構(gòu)型要滿足長期在軌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。為滿足上述要求，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)提出了幾類典型的構(gòu)型方案[22,23]，主要分為平面型、球/錐型、多面體型，如圖12所示。

其中，大多數(shù)研究機構(gòu)提出的方案都是平面型，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)展收比大，即能以極小的收攏包絡(luò)，展開大面積薄膜結(jié)構(gòu)，極大提高空間碎片面質(zhì)比，平面薄膜的易于收攏規(guī)整、有序展開；缺點是飛行姿態(tài)變化的情況下，平面結(jié)構(gòu)的阻力面積不斷變化。球/錐型構(gòu)型多數(shù)是采用充氣展開方式，其優(yōu)點是無論在何種飛行姿態(tài)下，都能保證較大的阻力面積，但收攏體積較大，且曲面結(jié)構(gòu)的折疊收攏較為復(fù)雜，展開也難以做到規(guī)整有序，且充氣展開結(jié)構(gòu)面臨剛化或局部加強問題，無法像平面薄膜結(jié)構(gòu)那樣僅采用微米級薄膜構(gòu)成主結(jié)構(gòu)，而剛化可能帶來更大的收攏包絡(luò)和功耗需求。多面體型是在平面型的基礎(chǔ)上，能夠在不同飛行姿態(tài)下保持較大阻力面積，相比與球/錐型，其平面薄膜的更易于收攏規(guī)整，有序展開，但收攏體積相對平面型要明顯增大。

考慮到空間碎片多數(shù)為不可控狀態(tài)，故其飛行姿態(tài)一直在變化中，平面增阻以結(jié)構(gòu)簡單可靠、收攏體積小為優(yōu)勢，在相同平臺資源下，可展開更大阻力面，是相對比較經(jīng)濟可行的方案。

離軌過程，空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)處于低軌飛行環(huán)境，要長期暴露在高低溫交變、原子氧、紫外輻射等惡劣的太空環(huán)境中，其薄膜材料和支撐桿，都需要進行惡劣環(huán)境下的壽命設(shè)計[24]；由于增阻薄膜折疊展開，對膜面帶來折痕，因此，折痕部位的原子氧防護是研究的難點；此外，柔性材料在復(fù)雜空間環(huán)境下的性能演化、改進與防護、設(shè)計與制備工藝以及材料性能測試與評價等方面也需開展深入研究[25]。

原子氧對航天器表面的高溫氧化、高速撞擊會使大部分有機材料受到嚴(yán)重侵蝕，產(chǎn)生質(zhì)量損失、厚度損失，機械參數(shù)退化，造成結(jié)構(gòu)材料強度下降；原子氧防護技術(shù)研究主要集中在研究防原子氧涂層[26]。原子氧防護涂層分為有機涂層和無機涂層兩大類。有機防護涂層主要有聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷-聚酰亞胺共聚物、氟化聚合物Teflon、聚氟膦嗪聚合物等。無機防護涂層主要有SiO2、SiOx,SiOx/含氟聚合物、Al2O3、Mg F2、Si3N4、ITO、TO、Ge、TiO2、ITO/MgF2、Al和Au等。有機防護涂層有較好的柔韌性，不易出現(xiàn)裂紋，與航天器表面的有機基底材料結(jié)合牢固。但是真空出氣現(xiàn)象較嚴(yán)重，在空間環(huán)境因素作用下容易出現(xiàn)老化、裂紋等現(xiàn)象。無機涂層原子氧防護性能良好，制作工藝簡單，成本較低，但是柔韌性較差，在加工、處理、應(yīng)用過程中由于彎曲會產(chǎn)生裂紋，為原子氧提供“潛蝕”通道。

空間增阻薄膜結(jié)構(gòu)主要依靠張拉應(yīng)力成形和承載[27]。在收攏和展開過程中，由于膜面的松弛狀態(tài)及負(fù)載約束條件限制，給薄膜折疊路徑的優(yōu)化、壓緊方式及傳力路徑的設(shè)計與操作實施帶來了較大困難[28]。帶支撐桿膜面的折疊展開，既需要考慮膜面自身的折疊、壓緊與防護，也需要綜合考慮與支撐桿展開過程協(xié)調(diào)[29]。

美國和英國提出的離軌帆方案，膜面和支撐桿采用五點張拉方案[30]，即采用四根支撐桿的末端與四塊三角形膜面末端連接，此外，四塊三角形膜面的中心與平臺連接，共計五個連接點，這種結(jié)構(gòu)方案，其優(yōu)勢在于膜面和支撐桿可以分別進行收攏壓緊[31]，缺點在于膜面受支撐桿作用力集中，且膜面的折疊方式必須適應(yīng)支撐桿的直線伸出過程，膜面的展開過程容易出現(xiàn)纏繞失效的情況。日本、波蘭和國內(nèi)一些單位提出的離軌帆方案[32]，相比前述五點張拉方案，其膜面和支撐桿采用全粘接方式，這種方案的優(yōu)勢在于膜面與支撐桿同步收攏，不需要分別壓緊，實現(xiàn)了同步釋放，膜面受力狀態(tài)更好，缺點在與自主彈開過程膜面與支撐桿運動過程可控性差，對于面積更大的膜面，容易出現(xiàn)展開過程支撐桿與膜面之間運動不協(xié)調(diào)[33]，損傷膜面，故不適應(yīng)大面積膜面的展開。此外，圓球、圓錐薄膜面的折疊展開涉及不可展曲面的折疊展開，其折疊過程更為復(fù)雜，相應(yīng)折疊效率較低。

支撐結(jié)構(gòu)主要分彈性支撐桿類和充氣管類，其中，彈性桿的截面可以采用多種構(gòu)型[34]，包括：人字型，C型，豆莢型，O型等[35]，其共同特點是在收攏前，將彈性桿截面壓扁，然后進行卷曲收攏[36]，展開過程中，依靠彈性桿的截面恢復(fù)，獲得支撐剛度[37]。美國和英國的增阻薄膜結(jié)構(gòu)中，針對薄壁桿的收攏，設(shè)計了以電動機驅(qū)動為動力源的展開機構(gòu)(圖13)，展開過程中，通過機構(gòu)中的彈簧約束力限制彈性桿的變形，使得彈性桿在電動機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)運動，從壓扁卷曲狀態(tài)逐步恢復(fù)至直桿構(gòu)型。利用1U的收攏空間，可展開四根長度4 m左右的支撐桿。日本、波蘭和國內(nèi)一些單位研制的增阻薄膜結(jié)構(gòu)，針對立方星平臺，設(shè)計展開面積1～4 m2的小型離軌帆，采用彈性桿卷繞收藏，解鎖后自主彈開的方案，這種結(jié)構(gòu)方案，省去電動機驅(qū)動，進一步降低系統(tǒng)復(fù)雜度，也相應(yīng)提高了系統(tǒng)可靠性。

在各類離軌技術(shù)中，成本因素非常重要。針對現(xiàn)有的碎片或失效衛(wèi)星，利用空間服務(wù)平臺進行抓捕拖拽也能實現(xiàn)離軌，但這些措施的技術(shù)門檻高、成本十分高昂。目前提出的低成本離軌手段中，電動力繩和薄膜結(jié)構(gòu)增阻離軌，可采用與航天器搭載發(fā)射的方式，無需額外的發(fā)射成本；而且，由于增阻薄膜結(jié)構(gòu)具有極大的展收比，發(fā)射狀態(tài)體積收攏小，基本無需額外的載荷空間；其運行過程，不需要額外攜帶推進劑。從離軌過程控制的角度看，增阻薄膜結(jié)構(gòu)離軌過程中無需系統(tǒng)進行控制，適應(yīng)各類意外失效的航天器離軌需求；相比之下，采用電動力繩離軌，需要長期帶電運行，且飛行姿態(tài)控制復(fù)雜；增阻薄膜結(jié)構(gòu)的展開多采用無源彈性展開或電動機驅(qū)動一次性展開到位，無需長期在軌帶電運行。

增阻薄膜結(jié)構(gòu)要進一步降低研制成本，主要考慮的因素包括：(1)材料的問題，要能夠采用商用成熟的薄膜材料，并耐受空間環(huán)境；(2)是否涉及電動機展開(彈性展開最為簡便，但缺點在于對更大面積薄膜膜面的適應(yīng)性還需要進一步研究)；(3)壓緊與解鎖的問題(是否涉及火工品的使用)；(4)與小衛(wèi)星的匹配性：應(yīng)不影響小衛(wèi)星本身研制流程；(5)需要針對不同規(guī)格的小衛(wèi)星匹配不同規(guī)格的增阻薄膜結(jié)構(gòu)，成本相應(yīng)匹配。

隨著衛(wèi)星技術(shù)和商業(yè)模式的迅速發(fā)展，未來的星座計劃將日趨龐大。現(xiàn)有的碎片減緩規(guī)則不能滿足要求，新的規(guī)則將很快推出，對增阻離軌薄膜結(jié)構(gòu)技術(shù)提出了迫切需求。目前離軌薄膜帆結(jié)構(gòu)的主要關(guān)鍵技術(shù)都取得了突破，并已完成搭載驗證，具備了用于微納衛(wèi)星離軌的條件。對于大型衛(wèi)星的離軌，還需要對大尺寸的離軌薄膜結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵技術(shù)進行進一步攻關(guān)，可望在2～3年內(nèi)達(dá)到工程應(yīng)用的成熟度。