低轨卫星具有信息传输时延短、路径损耗小、数据传输率高等优势,然而,地球近地轨道上稀薄大气阻力会导致低轨卫星的轨道衰减。本文设计了一种在几乎不产生额外大气阻力的情况下,利用光压作为动力克服大气阻力实现卫星长时间在轨运行的超结构光压矢量推进器,从光推力建模与优化程序设计、横向推进最优构型设计、矢量推进器折纸构型优化设计、光压矢量推进器的推进效能评估等方面对超结构光压矢量推进器开展研究。根据光-推进器相互作用的光压量子理论,结合光压推进器的构型设计编写了数值模拟程序,对光束与推进器的相互作用情况进行了仿真;在数值仿真程序的基础上编写了参数优化程序,根据超结构光压推进器对优化设计的要求,分析并评估了传统模拟退火算法和热力学模拟退火算法的优化策略和效能,最终采用的热力学模拟退火算法相较于课题组以往研究中采用的穷举法在优化耗时上降低了两个数量级,能够满足超结构光压矢量推进器的优化要求。利用热力学模拟退火算法对晨昏轨道光照条件下的固定构型光压推进器进行了优化,明确了在不同长径比下可产生最大光推力的变化规律,并确定了在最优长径比下的最优构型。根据仿真结果,在晨昏轨道条件下,最优构型单位面积上的最大光推力为4.15μN/m~2,达到理论最大值的96%,相较于传统平面光帆的3.30μN/m~2提升了25%。进一步地,针对低轨卫星在–30°轨道的波动光照条件,根据推进器的基础构型,基于折纸几何原理提出了能够随折展主动变形的可变构型光压推进器方案,分析了推进器面形调控规律并开展参数优化,获得了矢量推进器的推进能力包线。优化结果表明超结构光压矢量推进器当运行在–30°轨道时的最大光推力为2.80μN/m~2,相较于传统平面光帆的1.30μN/m~2提升了115%。为了验证优化结果,利用现有的反射波瓣测试平台开展了验证实验,根据实际测试条件确定图像灰度处理方法,并编写了图像处理程序,对多张不同曝光值的照片进行叠加处理,从而增大相机宽容度以满足实验要求;搭建超结构光压矢量推进器模型,并开展实验。根据实验测得的反射材料吸收率计算光推力合力的方向以及面内光推力的理论值,并与实验结果比对。最后,以“星链”作为算例评估推进器的实际推进效能,若推进器的长度为十米级时可实现卫星400 km轨道高度的长期在轨;长度为百米级时可实现300 km轨道高度的长期在轨。