一种太阳帆的制作方法

1.本实用新型涉及航天技术领域，具体而言，涉及一种太阳帆。


背景技术：

2.太阳帆航天器是一种利用太阳帆接收太阳光产生的压力从而实现前行的航天设备，例如，反射式太阳帆；该反射式太阳帆一般在接收太阳光的一侧采用反射金属涂层来吸收入射光子，通过将照射在该侧表面的太阳光反射回去，以对太阳帆产生反作用力，从而推动飞船前行；但这种反射式太阳帆需要倾斜帆面来改变前进方向，其整体结构复杂。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种太阳帆。
4.本实用新型实施例提供了一种太阳帆，包括：具有多个可调超透镜的可调超透镜阵列以及太阳帆本体；所述可调超透镜阵列设置于所述太阳帆本体靠近太阳的一侧表面，所述可调超透镜用于在施加不同电压的情况下，将入射的太阳光调制向沿不同的出射方向射出，生成作用于所述太阳帆本体的作用力；所述太阳帆本体用于支撑所述可调超透镜阵列。
5.可选地，可调超透镜包括：基底、纳米结构、相变材料层、第一电极层以及第二电极层；所述基底的一侧设置有多个所述纳米结构，所述第一电极层填充于所述纳米结构的周围，所述第一电极层的高度低于所述纳米结构的高度；所述相变材料层设置在所述第一电极层远离所述基底的一侧，且填充于所述纳米结构的周围，所述第一电极层与所述相变材料层的高度之和大于或等于所述纳米结构的高度；所述第二电极层设置于所述相变材料层远离所述基底的一侧；所述第一电极层以及所述第二电极层用于对所述相变材料层加载电压，所述相变材料层能够根据所加载的电压改变射入所述可调超透镜的太阳光的出射方向。
6.可选地，相变材料层的相变材料为锗锑碲。
7.可选地，第一电极层与所述第二电极层的材料为氧化铟锡。
8.可选地，可调超透镜包括多个阵列式排布的超结构单元，所述超结构单元为可密堆积图形，所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有所述纳米结构。
9.可选地，可调超透镜为反射式可调超透镜；所述可调超透镜的相位分布满足：其中，表示所述可调超透镜沿x方向的相位分布；θi表示所述入射的太阳光射向所述可调超透镜的入射角，θr表示沿所述出射方向射出的太阳光的反射角；k表示波数，且n0表示所述可调超透镜对应的空间介质折射率，λ表示波长；表示常数相位。
10.可选地，可调超透镜为透射式可调超透镜；所述太阳帆本体在工作波段透明；所述可调超透镜的相位分布满足：可调超透镜的相位分布满足：其中，表示所述
可调超透镜沿x方向的相位分布；θi表示所述入射的太阳光射向所述可调超透镜的入射角，θo表示沿所述出射方向射出的太阳光的折射角；k表示波数，且n0表示所述可调超透镜对应的空间介质折射率，λ表示波长；表示常数相位。
11.可选地，可调超透镜阵列的个数至少为两个，且至少两个所述可调超透镜阵列层叠设置。
12.可选地，该太阳帆还包括：太阳能电池板，所述太阳能电池板设置于所述太阳帆本体远离所述可调超透镜阵列的一侧；所述太阳能电池板用于将所述可调超透镜阵列射出的太阳光转化为电能。
13.可选地，可调超透镜的工作波段包括：可见光波段和/或红外光波段。
14.本实用新型实施例上述提供的方案中，通过施加不同的电压可以改变每个可调超透镜对射入的太阳光的出射角度，从而精准控制太阳帆每个部位的受力方向，以实现对太阳帆前进方向的精准控制；该太阳帆不需要倾斜帆面便可改变其前进方向，其整体结构简单；并且，可调超透镜体积小，重量轻，易于量产，可有效降低整个太阳帆的体积，重量和成本；此外，太阳帆本体可沿可调超透镜阵列中各个可调超透镜之间的缝隙折叠，以利于整体折叠打包从而安放进发射载具。
15.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1示出了本实用新型实施例所提供的一种透射式太阳帆的示意图；
18.图2示出了本实用新型实施例所提供的反射式太阳帆的原理示意图；
19.图3示出了本实用新型实施例所提供的透射式太阳帆的原理示意图；
20.图4示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，可调超透镜的具体结构示意图；
21.图5示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，可调超透镜中以正六边形排布的超结构单元的示意图；
22.图6示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，可调超透镜中以正方形排布的超结构单元的示意图；
23.图7示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，可调超透镜中以扇形排布的超结构单元的示意图；
24.图8示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，可调超透镜为反射式可调超透镜的示意图；
25.图9示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，具有双层级联设置的可调超透镜阵列的示意图；
26.图10示出了本实用新型实施例所提供的太阳帆中，具有太阳能电池板的示意图。
27.图标：
28.1-可调超透镜阵列、1a-第一层的可调超透镜阵列、1b-第二层的可调超透镜阵列、2-太阳帆本体、3-太阳能电池板、10-可调超透镜、100-超结构单元、101-基底、102-纳米结构、103-相变材料层、104-第一电极层、105-第二电极层。
具体实施方式
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.本实用新型实施例提供了一种太阳帆，参见图1所示，该太阳帆包括：具有多个可调超透镜10的可调超透镜阵列1以及太阳帆本体2；可调超透镜阵列1设置于太阳帆本体2靠近太阳的一侧表面，可调超透镜10用于在施加不同电压的情况下，将入射的太阳光调制向沿不同的出射方向射出，生成作用于太阳帆本体2的作用力；太阳帆本体2用于支撑可调超透镜阵列1。
33.如图1所示，太阳可以位于该太阳帆的上侧(图1中并未示出)，即该太阳帆的入光侧为其上侧；太阳帆本体2与可调超透镜阵列1贴合设置，且可调超透镜阵列1更靠近太阳，例如，图1中可调超透镜阵列1设置在太阳帆本体2的上侧表面，太阳所发射的太阳光可以直接照射在该可调超透镜阵列1上。其中，该可调超透镜阵列1所包括的多个可调超透镜10可以对射入其中的太阳光进行调制，使最终由该可调超透镜10射出的太阳光可以沿一定的出射方向射出；本实用新型实施例中，对可调超透镜10施加不同的电压，可以改变其对入射的太阳光的调制效果，使得射出的太阳光可以改变出射方向，即通过调控施加在该可调超透镜10上的电压大小，从而控制太阳光的出射方向。
34.本实用新型实施例中，太阳光在沿一定的出射方向射出时，会对与之相贴合设置的太阳帆本体2产生一定的作用力(如光压力或辐射压力)，该作用力的方向可以随出射的太阳光的出射方向改变从而改变；如图2所示(图2为反射式太阳帆的原理示意图，且图2中并未直接示出可调超透镜10和太阳帆本体2，图2仅用可调超透镜阵列1这一结构简单表示该太阳帆)，在该太阳帆为反射式太阳帆的情况下，入射至可调超透镜10(可调超透镜阵列1)中的太阳光c会被反射，该反射出去的太阳光c’的出射方向在不同电压的作用下会发生
改变，而改变出射方向的太阳光c’会对该太阳帆(如太阳帆本体2)产生一定的作用力其中，该作用力为因太阳光方向发生改变而产生的反作用力，在该反作用力的作用下，太阳帆可以沿该反作用力的方向移动。需要说明的是，尽管出射的太阳光所导致的作用力很小，但在没有空气阻力存在的太空中，该作用力能够为该太阳帆提供10e-5
～10e-3
g左右的加速度，使太阳帆能够在太空中移动(如前行)。
35.或者，如图3所示(图3为透射式太阳帆的原理示意图，且图3中并未直接示出可调超透镜10和太阳帆本体2，图3仅用可调超透镜阵列1这一结构简单表示该太阳帆)，在该太阳帆为透射式太阳帆的情况下，入射至可调超透镜10中的太阳光c会被透射，而沿某出射方向透射出去的太阳光c’同样会对该太阳帆(如太阳帆本体2)产生一定的作用力使得该太阳帆可以沿该作用力的方向移动。而本实用新型实施例中，不论是反射式太阳帆(如图2所示的情况)还是透射式太阳帆(如图3所示的情况)，均可以通过调节施加在可调超透镜10上的电压，改变太阳光的出射方向，进而改变施加在太阳帆(如太阳帆本体2)上作用力的方向，令该太阳帆可以沿该作用力的方向运动。
36.本实用新型实施例所提供的太阳帆，通过施加不同的电压可以改变每个可调超透镜10对射入的太阳光的出射角度，从而可以改变太阳帆每个部位的受力方向，以实现改变太阳帆的前进方向；该太阳帆不需要倾斜帆面便可改变其前进方向，其整体结构简单；并且，可调超透镜10体积小，重量轻，易于量产，可有效降低整个太阳帆的体积、重量和成本；此外，太阳帆本体2可沿可调超透镜阵列1中各个可调超透镜10之间的缝隙折叠，以利于整体折叠打包从而安放进发射载具(如航天器)。
37.可选地，参见图4所示，可调超透镜10包括：基底101、纳米结构102、相变材料层103、第一电极层104以及第二电极层105；基底101的一侧设置有多个纳米结构102，第一电极层104填充于纳米结构102的周围，第一电极层104的高度低于纳米结构102的高度；相变材料层103设置在第一电极层104远离基底101的一侧，且填充于纳米结构102的周围，第一电极层104与相变材料层103的高度之和大于或等于纳米结构102的高度；第二电极层105设置于相变材料层103远离基底101的一侧；第一电极层104以及第二电极层105用于对相变材料层103加载电压，相变材料层103能够根据所加载的电压改变射入可调超透镜10的太阳光的出射方向。
38.其中，该可调超透镜10的基底101可以选用石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等，在该可调超透镜10的基底101的一侧(图4所示为基底101的上侧)设置有多个纳米结构102，这些纳米结构102的高度可以是统一的，且这些纳米结构102可以为全介质结构单元，在工作波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。
39.可选地，太阳帆的工作波段包括：可见光波段和/或红外光波段，换句话说，该可调超透镜10能够调制可见光波段的光和/或红外光波段的光，其对于可见光波段的光和/或红外光波段的光具有高透过率，例如，对太阳光具有高透过率。
40.如图4所示，在该可调超透镜10所具有的多个纳米结构102的周围(如两个纳米结构之间的间隙)填充有第一电极层104，该第一电极层104的高度比每个纳米结构102的高度
要低，例如，该第一电极层104的高度可以是纳米结构102高度的二分之一。在该第一电极层104远离基底101的一侧(如图4所示第一电极层104的上侧)，填充有相变材料层103，该相变材料层103与第一电极层104一样也是填充在多个纳米结构102的周围，其高度与第一电极层104的高度相加所得到的高度之和可以大于该纳米结构102的高度，或者，该高度之和也可以等于该纳米结构102的高度；如图4所示，该相变材料层103的上表面不低于纳米结构102的上表面，以避免纳米结构102接触到第二电极105。在该相变材料层103远离基底101的一侧(如图4所示相变材料层103的上侧)设置有第二电极层105，该第二电极层105与第一电极层104分别位于该相变材料层103的两侧，用于对该相变材料层103施加电压，其中，该相变材料层103在接收到第一电极层104与第二电极层105所施加的电压后，相变材料层103的相变状态会发生改变，从而可以使入射至可调超透镜10中的太阳光在射出的时候其出射方向发生改变，进而可以改变基于该出射的太阳光所产生的作用力的方向，在不倾斜帆面的情况下调整太阳帆本体2的前进方向。
41.需要说明的是，本实用新型实施例可以对可调超透镜阵列1整体施加电压，以改变由该可调超透镜阵列1所射出的太阳光的出射方向；或者，也可以对至少部分甚至是每一个可调超透镜10进行独立调控，使得该太阳帆的调节自由度提升。
42.可选地，相变材料层103的相变材料为锗锑碲。
43.例如，锗锑碲(gst，gesbte)可以是ge2sb2te5；gst具有实现相变能量要求低、相变可逆等特点，在不同的电压下gst可以实现晶态相和非晶态相间的可逆相变，本实用新型实施例可以利用gst晶态和非晶态折射率的不同，从而调节可调超透镜10所出射的太阳光的出射方向。
44.可选地，第一电极层104与第二电极层105的材料为氧化铟锡。
45.其中，用于作为第一电极层104与第二电极层105的材料可以是氧化铟锡(ito，indium tin oxide)，其是一种n型氧化物半导体材料，在工作波段透明，并且，其可以具有很好的导电性，比较适用于制作成电极层填充或设置于本实用新型实施例的相变材料层103的两侧，用于对该相变材料层103施加电压；其中，第一电极层104可以是正电极层、第二电极层105可以是负电极层；或者，第一电极层104可以是负电极层、第二电极层105可以是正电极层，本实用新型实施例对此不做限定。
46.可选地，参见图5至图7所示，可调超透镜10包括多个阵列式排布的超结构单元100，超结构单元100为可密堆积图形，可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构102。
47.本实用新型实施例中，可密堆积图形表示能够形成密堆积效果的图形。如图5所示，超结构单元100可以布置成正六边形的阵列；如图6所示，超结构单元100可以布置成正方形的阵列；如图7所示，超结构单元100可以布置成扇形的阵列。本领域技术人员应认识到，可调超透镜10中包括的超结构单元100还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本技术的范围内。
48.可选地，参见图8所示，可调超透镜10为反射式可调超透镜；可调超透镜10的相位分布满足：其中，表示可调超透镜10沿x方向的相位分布；θi表示入射的太阳光射向可调超透镜10的入射角，θr表示沿出射方向射出的太阳
光的反射角；k表示波数，且n0表示可调超透镜10对应的空间介质折射率，λ表示波长；表示常数相位。
49.其中，可以通过在可调超透镜10中设置反射层(如金属反射层)的方式，使该可调超透镜10成为反射式可调超透镜，即对入射的太阳光实现反射，通过改变施加于该可调超透镜10上的电压，可以改变该可调超透镜10所反射的太阳光的反射方向(如图8所示)。
50.本实用新型实施例中，x方向表示该可调超透镜10所在平面中的一个方向(如图8以水平向右的方向表示该x方向)；基于入射至该可调超透镜10表面x位置处的入射光(如入射的太阳光)的入射角θi，与经该可调超透镜10调制后射出的太阳光的反射角θr之间满足广义菲涅尔定律，进而可以得到可调超透镜10(反射式可调超透镜)所满足的相位分布：其中，该波数k由该可调超透镜10所对应的空间介质的折射率no与入射的太阳光的波长λ决定，在本实用新型实施例中，n0表示太空环境对应的空间介质折射率；常数相位可以是任意数值，如0、0.5π、π、1.5π、等。通过计算该相位分布所满足的公式，可以得到将以入射角θi入射的太阳光调制为以反射角θr射出的可调超透镜10(反射式可调超透镜)所需要具有的相位分布情况，并可以通过施加相应的电压实现该相位分布。
51.可选地，可调超透镜10为透射式可调超透镜；太阳帆本体2在工作波段透明；可调超透镜10的相位分布满足：超透镜10的相位分布满足：其中，表示可调超透镜10沿x方向的相位分布；θi表示入射的太阳光射向可调超透镜10的入射角，θo表示沿出射方向射出的太阳光的折射角；k表示波数，且n0表示可调超透镜10对应的空间介质折射率，λ表示波长；表示常数相位。
52.如图1所示，图1中的可调超透镜10为透射式可调超透镜，且太阳帆本体2对于工作波段的光具有高透过率，使得该太阳帆(包括透射式可调超透镜以及太阳帆本体2)为透射式太阳帆，即该太阳帆对入射的太阳光实现透射，通过改变施加于该可调超透镜10上的电压，可以改变该可调超透镜10(或太阳帆)所透射的太阳光的折射方向(如出射的太阳光的折射角)。其中，该透射式可调超透镜与上述反射式可调超透镜所满足的相位分布公式相似，二者均是基于广义菲涅尔定律进行推导得到的，其中的区别在于：透射式可调超透镜需根据入射至其表面x位置处的入射光(如入射的太阳光)的入射角，与经该可调超透镜10(透射式可调超透镜)调制后射出的太阳光的折射角θo进行推导，基于推导得到的相位分布公式式得到能够将以入射角θi入射的太阳光调制为以折射角θr射出的可调超透镜10(透射式可调超透镜)。
53.本实用新型实施例中，在可调超透镜10为透射式可调超透镜的情况下，由于无需设置用于反射的金属反射层，因此不会出现因金属反射层吸收光子而逐渐升温，最终影响太阳帆寿命的情况；本实用新型实施例所提供的太阳帆因所采用的可调超透镜阵列1具有无热化的特点，不产生加热效应，使得该太阳帆能够具有较长且稳定的使用寿命。
54.可选地，参见图9所示，可调超透镜阵列1的个数至少为两个，且至少两个可调超透镜阵列1层叠设置。
55.本实用新型实施例中，在可调超透镜10为透射式可调超透镜的情况下，也就是说，在可调超透镜阵列1整体为透射式可调超透镜阵列的情况下，可以在太阳帆本体2(图9中未示出)靠近太阳的一侧依次层叠设置至少两个可调超透镜阵列1，令太阳光依次经过至少两个可调超透镜阵列1并最终透射出去，该太阳帆能够通过分别调控每个可调超透镜阵列1对应的施加电压，达到层层递进且更加精细地控制太阳光的出射方向的目的，使该太阳帆能够重新定向；而由于辐射压力是通过改变太阳光的传播方向产生的，因此，本实用新型实施例可以通过级联的至少两个可调超透镜阵列1，二次改变太阳光的出射方向以产生想要方向的作用力，即可产生更多的辐射压力。
56.如图9所示，可以级联两个可调超透镜阵列1，如可调超透镜阵列1a和可调超透镜阵列1b，且二者可以是共轴设置的；双层级联的设置能够让通过位于第一层的可调超透镜阵列1a(如更靠近太阳的可调超透镜阵列，如图9所示位于最上层的可调超透镜阵列)所透射的太阳光，可以继续射向位于第二层的可调超透镜阵列1b(如远离太阳的可调超透镜阵列，如图9中由上至下数位于第二层的可调超透镜阵列)；并基于分别施加在第一层的可调超透镜阵列1a与第二层的可调超透镜阵列1b的电压，调控可调超透镜阵列1a透射的太阳光的出射方向，从而使入射至可调超透镜阵列1b的太阳光的入射角度发生变化；此后，基于入射至可调超透镜阵列1b的太阳光所对应的入射角度，改变可调超透镜阵列1b表面的施加电压，最终使可调超透镜阵列1b能够透射出符合需求的太阳光(如具有与所需要的前进方向相对应的出射角度的太阳光)。
57.可选地，参见图10所示，该太阳帆还可以包括：太阳能电池板3，太阳能电池板3设置于太阳帆本体2远离可调超透镜阵列1的一侧；太阳能电池板3用于将可调超透镜阵列1射出的太阳光转化为电能。
58.本实用新型实施例中，在可调超透镜阵列1整体为透射式可调超透镜阵列的情况下，还可以将太阳能电池板3层叠设置在该太阳帆本体2远离太阳的一侧，如图10所示，该太阳帆由上至下依次设置有：可调超透镜阵列1、太阳帆本体2以及太阳能电池板3。由于透射式可调超透镜(可调超透镜10)本身吸收的太阳光非常少，因此，在使用该太阳帆时，最终经可调超透镜10与太阳帆本体2依次透射出去的太阳光的光子也可以重复使用，虽然最终出射的太阳光所具有的光子动量的很大一部分被转移到作用力(如光压力，或者辐射压力)上，但剩余的光子可以照射在太阳能电池板3中，通过该太阳能电池板3转化为电能；进一步地，安装在该太阳帆中的其它装置(如可用于捕获太空中各项研究数据的探测器)，也可以使用由该太阳能电池板3中所产生的电力以提供动力。
59.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。