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哈尔滨工业大学科研项目相关技术将用于我国首次火星探测任务“天问-1号
哈尔滨工业大学科研项目相关技术将用于我国首次火星探测任务“天问-1号


    看过科幻小说《三体》系列的读者,一定会对太阳帆的情节记忆深刻。当时就有读者说,如果太阳帆可以随意折叠和展开,将成为人类探索宇宙的“黑科技”。

  近日,这项“黑科技”被哈尔滨工业大学航天学院冷劲松教授课题组突破,其研制的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”,在国际上首次实现了基于形状记忆聚合物复合材料结构的柔性太阳能电池的在轨可控展开,解决了柔性太阳能电池的地面卷曲锁紧-在轨可控展开-展开后高刚度可承载的难题。而基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构,还将应用于我国首次火星探测任务“天问-1号”。

  太阳能电池作为航天飞行器的关键部件之一,通常需要经历“地面制造-折叠收拢-发射至太空-空间展开”四个步骤之后,才能实现在轨工作。未来下一代大型或超大型空间结构对能源系统提出了极高的要求,柔性太阳能电池作为太阳能电池发展的新趋势之一,具有质量轻、柔韧性好、收纳比高等优点,但在航天应用过程中也存在收拢锁紧、驱动展开和展开后刚度较低等难题。

  在杜善义院士、韩杰才院士的带领下,哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所于20世纪90年代初就在国内较早地确立了智能材料与结构的研究方向。在其“理工结合,服务航天”发展理念的指导下,冷劲松教授课题组从事智能材料结构力学及其在航天、航空、生物医学等领域的应用研究。

  2006年开始,课题组开展形状记忆聚合物及其复合材料结构的研究,自主研发了适用于航天环境的多种类、不同系列的形状记忆聚合物材料,这些材料能满足高低轨道等不同极端空间环境的需求。与形状记忆合金不同,形状记忆聚合物是一种激励响应聚合物材料(图1),具有主动可控大变形(20%-500%)、驱动方式多样、刚度可变等特性,可被设计成集驱动与承载功能一体化的部件,结构简单,可靠性高,未来有望部分替代复杂的机电驱动系统。
在中国空间技术研究院通信卫星事业部的大力支持和帮助下,课题组研制的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”,2019年12月27日搭载中国空间技术研究院研制的实践二十号卫星在海南文昌随长征五号火箭成功飞天,并在2020年1月5日成功在轨验证。这是继2016年哈工大在国际上首次实现地球同步轨道环境下形状记忆聚合物复合材料的在轨验证之后,在国际上首次实现了基于形状记忆聚合物复合材料结构的柔性太阳能电池系统的在轨可控展开。两次在轨任务的成功,标志着我国智能材料及其航天器结构的研究处于国际前列。

  本次搭载的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”主要包括哈工大研制的形状记忆复合材料锁紧释放机构、形状记忆聚合物复合材料可展开梁和上海空间电源研究所研制的柔性太阳能薄膜电池。基于复合材料力学理论和结构精细化设计,形状记忆聚合物复合材料结构可以实现柔性太阳能电池的锁紧、释放和展开,及展开后高刚度可承载等功能。
 在卫星发射过程中,形状记忆复合材料锁紧释放机构可以提供并实现高刚度锁紧;入轨后,完成在轨稳定、无冲击的解锁;展开过程中,通过形状记忆聚合物复合材料可展开梁的可控伸展,驱动柔性太阳能薄膜电池展开(图2);展开后,形状记忆聚合物复合材料梁结构的刚度回复到与常规复合材料结构相当的水平。本次搭载的可展开柔性太阳能电池系统,通过形状记忆聚合物复合材料结构实现了锁紧、释放和结构展开的功能,没有采用传统的火工分离装置、铰链及电机驱动等方法,结构简单,解锁和展开过程几乎无冲击,展开时间和过程可控,展开后结构的刚度较高。

  未来,课题组相关技术也有望应用于深空探测、空间站、探月工程、卫星等不同航天器平台中的空间可展开结构、锁紧释放机构及柔性太阳能电池系统(图3),在航天、航空、汽车、高端装备、智能制造、机器人及生物医疗等领域具有广泛的应用前景。
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