2021年3月26日18:20，由西安建筑科技大学力学技术研究院（IMT）开展的力学家访谈，在腾讯会议线上进行。本期访谈的嘉宾是清华大学航天航空学院龚胜平副教授。
线上访谈掠影
力学家访谈源于对力学家的致敬，希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下：
问：太阳帆是一种新型无燃料消耗的航天器，其技术的突破能大大拓展人类探测宇宙的空间。对其在轨道动力学领域与姿态控制领域的研究便是主要方向。对此方向您有很深的研究，您能简单谈谈目前所存在困难与未来的前景么？
答：
首先，以我的理解太阳帆存在的困难有以下几个方面。第一个方面：新型的材料技术困难。因为太阳帆的性能主要取决于它的面质比—面积与质量的比值。简单理解就是密度越小，面质比就越大，其所受光压力产生的加速度就越大。所以应该尽可能增加面质比，减小单位面积质量。而对于太阳帆而言，帆系统质量占比比较大，所以核心就是减少帆系统的质量。帆系统主要由帆膜和支撑杆组成。对帆膜而言，目前提出的性能最好的材料可以达到1微米厚，这种材料密度能达到每平方米2克左右。而支撑杆的材料则可以达到15克每米。虽然目前的技术已经足够完成很多空间任务，但是太阳帆的最大的问题还是可行的材料还不足以达到工程应用。第二个方面：姿态轨道控制技术困难。与普通卫星的轨道控制不一样，太阳帆是通过改变姿态实现轨道控制，由于帆面积特别大，相比同质量普通卫星，其惯量要大很多，所以传统的姿态控制方式（如：飞轮，喷气）是很不划算的。目前大家基本达成共识，就是依然需要利用太阳光压力本身对其进行姿态控制，简单来说就是改变质心或者压心来调整光压力产生的力矩从而改变姿态。但是这通常要求改变太阳帆的结构或增加附加质量，一方面会增加工程实现难度，一方面也会降低太阳帆的性能。由于地面无法模拟太空环境，姿态控制缺少真实太空实验，所以目前提出的绝大部分方法都还只是处于理论研究阶段。第三个方面：应用方面困难。太阳帆的主要应用背景是深空探测，而深空探测对于绝大部分国家来说目前还不是主流发展方向，对太阳帆前期的投入较少，导致全世界上真正做太阳帆技术的人相对较少。
对于太阳帆的前景主要是深空探测。如果在近地的话，各种摄动影响较大，很难应用。第一个应用是地球以内的深空空间，因为光压随着距太阳的距离减少而增加，所以太阳帆在探测地球以内的空间效率会更高。第二个应用是实现传统推进方式难以实现的高能量任务，比如太阳极地轨道（轨道平面与黄道面夹角为90°），如果用传统化学推进方式来实现，目前的技术条件是无法实现的，但是太阳帆可以持续利用光压力，在几年的时间内改变其轨道面实现太阳帆极轨。第三个是外太阳系任务。对外太阳系任务，目前的做法是利用推进系统将航天器加速到一定的巡航速度，然后以巡航速度匀速运动直至脱离太阳系。太阳帆可以持续利用光压力加速，获得更大的巡航速度，从而减少脱离太阳系时间。第四个应用是类似于日本已经发射的‘伊卡洛斯’任务和正在研发的木星探测任务。太阳帆一方面是利用太阳光压力进行推进，另一方面是利用太阳帆给整个系统供给电能。
问：您能谈谈太阳帆动力学研究中的轨道动力学与一般动力学的差别在哪里么？所考虑量的相同点与不同点有哪些呢？
答：
普通卫星的轨道动力学已经十分成熟了，不管是近地的还是深空的，已经有很多研究的成果。虽然太阳帆航天器也是航天器的一种，但是和普通卫星还是有所差别，他们之间最主要的区别是太阳帆会受到一个不可以忽略太阳光压力，光压力对于普通卫星其实也存在，但是由于其面质比非常小，所以通常情况下将其考虑为摄动，在初步设计时可以不考虑。而太阳帆将光压力作为主要受力之一，导致它和普通卫星的轨道设计是不同的。太阳光压力本身是一个非保守力，导致以前所用的保守系统的分析和设计方法不再适用了。目前对于太阳帆的轨道动力学而言，主要有两个方面的研究。第一个是如何利用光压力实现轨道转移。第二个是利用光压力实现以往难以实现的非开普勒轨道，比如说悬浮轨道（悬浮在黄道面之上）。
问：光作为太阳帆的动力来源，其使得太阳帆可以实现控制姿态与改变轨道，您能简要给我们介绍一下太阳帆的动力方式吗？
答：
这个问题可以有两种解释。第一种是动量解释：光是由很多光子组成的，光子是有动量的，当光子到达帆面时被反射，光子的动量会发生变化，根据动量守恒，帆的动量也会发生变化，那么帆的速度也会发生变化。这是通过动量的角度解释。第二种是能量解释：光拥有波粒二象性，光子具有能量，其能量是由光的频率决定的，当光子被帆面反射后，它的频率会发生变化，所以光子的能量也会发生变化，从而帆的能量发生变化，根据能量守恒，帆的速度也就发生变化。这是通过能量的角度解释。通过这两个的角度都可以严格推导出光压力大小，以及与帆的面积的关系、与太阳之间距离的关系等。
问：太阳帆技术作为一个当今比较前端的应用问题，且是大部分研究生感兴趣的研究方向，有着不小的学习难度，针对初学者对此方向的研究学习，您能向我们分享些学习经验么？
答：
太阳帆其实是一种特殊的航天器。如果要了解这个方向，需要先了解传统航天器的问题。所以要学习太阳帆的动力学与控制问题，首先需要先学习传统航天器的动力学与控制问题。传统航天器的动力学与控制问题包括轨道动力学与控制、姿态动力学与控制、结构动力学等。太阳帆的轨道姿态与普通卫星的区别上面已经提到，对结构动力学，由于太阳帆的尺寸较大，而且柔性较大，导致太阳帆的结构相对于普通卫星来说要更加复杂一些。所以在研究太阳帆技术之前，可以将传统的轨道、姿态、结构动力学作为基础，再来考虑太阳帆的特殊性开展研究。我觉得这样相对容易入手。
问：您有着大量的科研成果与丰富的教育教学经验，您能谈谈您理解的科研是什么？如何去科研么？
答：
我理解的科学研究可以分为三类。第一类：偏理论研究。这类研究大多集中在各个学校的理科专业，相对而言比较困难，需要你对某个领域或某个方向有很深的理解，对于前期的成果非常熟悉，能够找到里面的问题，再提出自己的解决思路和方法，如果创新较大的话可以创造新的理论或者新的方法，创新较小的话可以是对前期理论的改进与拓展。当然，理论研究需要的周期比较长，需要理论研究者能够耐住寂寞去研究与探索。第二类：偏应用研究。绝大部分工科院系的研究都属于偏应用类研究，通常是从实践中去寻找问题，再运用现有的理论解决。通常是先建模，再寻找方法去求解，求出结果与实际结果相对比，若是对比发现与实际结果吻合较好，那么我们的建模就很成功，可以通过所建的模型分析实际中的问题。如果结果与实际相差甚远，我们需要不断修正建模，直到解决问题，这实际上是一个迭代的过程。由于实际问题往往十分复杂，理论相对简单。所以我们通常需要对问题进行简化，简化到我们可以用现有的理论去解决。但我们不是随便简化，简化时我们要抓住主要矛盾，在仔细了解了实际问题后，针对我们解决问题的目标，扔掉一些不影响我们目标的一些次要因素。如果我们研究的问题任何一项都无法舍弃，舍弃后都会对结果造成定性影响，那我们只能去改进理论模型，从而解决实际问题，这就成了理论创新，所以理论研究和应用研究也是相辅相成。第三类：系统性工程。工程通常运用相对成熟的理论去解决一个系统问题。虽然理论很成熟，但是要将工程系统性实现还是很困难的。比如：蓝剑，星际荣耀等国内商业航天公司已经发展多年，获得了大量的资金支撑，但目前仍未成功就是这个道理。虽然火箭的各种理论相对比较成熟，但要将这些理论集成起来不出现任务问题还是很难的，系统性工程需要很多不同领域的人合作完成。
采访人：吴凡
撰稿人：吴凡
校对：李蒙
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