哈工大冷勁松教授課題組研制的“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)”,2019年12月27日搭載中國空間技術(shù)研究院研制的實踐二十號衛(wèi)星在海南文昌隨長征五號火箭成功飛天。作為衛(wèi)星的主要任務(wù)之一,該系統(tǒng)于2020年1月5日成功完成了關(guān)鍵技術(shù)試驗,在國際上首次實現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池的在軌可控展開,總體單位認(rèn)為:解決了柔性太陽能電池的地面卷曲鎖緊-在軌可控展開-展開后高剛度可承載的難題。

太陽能電池作為航天飛行器的關(guān)鍵部件之一,通常需要經(jīng)歷“地面制造-折疊收攏-發(fā)射至太空-空間展開”四個步驟之后,才能實現(xiàn)在軌工作。未來下一代大型或超大型空間結(jié)構(gòu)對能源系統(tǒng)提出了極高的要求,柔性太陽能電池作為太陽能電池發(fā)展的新趨勢之一,具有質(zhì)量輕、柔韌性好、收納比高等優(yōu)點,但在航天應(yīng)用過程中也存在收攏鎖緊、驅(qū)動展開和展開后剛度較低等難題。

杜善義院士韓杰才院士的帶領(lǐng)下,我校復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所于20世紀(jì)90年代初就在國內(nèi)較早地確立了智能材料與結(jié)構(gòu)的研究方向。在其“理工結(jié)合,服務(wù)航天”發(fā)展理念的指導(dǎo)下,冷勁松教授課題組從事智能材料結(jié)構(gòu)力學(xué)及其在航天、航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。2006年開始,課題組開展形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究,自主研發(fā)了適用于航天環(huán)境的多種類、不同系列的形狀記憶聚合物材料,這些材料能滿足高低軌道等不同極端空間環(huán)境的需求。與形狀記憶合金(Shape Memory Alloy)不同,形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer)是一種激勵響應(yīng)聚合物材料(見圖1),具有主動可控大變形(20%-500%)、驅(qū)動方式多樣、剛度可變等特性,可被設(shè)計成集驅(qū)動與承載功能一體化的部件,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,未來有望部分替代復(fù)雜的機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)。

哈工大冷勁松團(tuán)隊:在國際上首次實現(xiàn)基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池系統(tǒng)的在軌可控展開
圖1 用形狀記憶聚合物材料制成的花朵綻放過程

 

本次搭載的“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)”,主要包括哈工大研制的形狀記憶復(fù)合材料鎖緊釋放機(jī)構(gòu)、形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開梁和上??臻g電源研究所研制的柔性太陽能薄膜電池?;趶?fù)合材料力學(xué)理論和結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計,形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)柔性太陽能電池的鎖緊、釋放和展開,及展開后高剛度可承載等功能。在衛(wèi)星發(fā)射過程中,形狀記憶復(fù)合材料鎖緊釋放機(jī)構(gòu)可以提供并實現(xiàn)高剛度鎖緊;入軌后,完成在軌穩(wěn)定、無沖擊的解鎖;展開過程中,通過形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開梁的可控伸展,驅(qū)動柔性太陽能薄膜電池展開(見圖2);展開后,形狀記憶聚合物復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的剛度回復(fù)到與常規(guī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)乃?,其展開狀態(tài)的基頻較高,提供高剛度承載功能。本次搭載的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng),通過形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了鎖緊、釋放和結(jié)構(gòu)展開的功能,沒有采用傳統(tǒng)的火工分離裝置、鉸鏈及電機(jī)驅(qū)動等方法,結(jié)構(gòu)簡單,解鎖和展開過程幾乎無沖擊,展開時間和過程可控,展開后結(jié)構(gòu)的剛度較高。

哈工大冷勁松團(tuán)隊:在國際上首次實現(xiàn)基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池系統(tǒng)的在軌可控展開
圖2 基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池系統(tǒng)的在軌可控展開

在中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部的大力支持和幫助下,“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池系統(tǒng)”于2020年1月5日成功在軌驗證,這是繼2016年哈工大在國際上首次實現(xiàn)地球同步軌道環(huán)境下形狀記憶聚合物復(fù)合材料的在軌驗證之后,在國際上首次實現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池系統(tǒng)的在軌可控展開,兩次在軌任務(wù)的成功,標(biāo)志著我國智能材料及其航天器結(jié)構(gòu)的研究處于國際前列。在前期技術(shù)積累的基礎(chǔ)上,基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能結(jié)構(gòu),還將應(yīng)用于我國首次火星探測任務(wù)—“天問-1號”。未來,相關(guān)技術(shù)也有望應(yīng)用于深空探測、空間站、探月工程、衛(wèi)星等不同航天器平臺中的空間可展開結(jié)構(gòu)、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)及柔性太陽能電池系統(tǒng)(見圖3),在航天、航空、汽車、高端裝備、智能制造、機(jī)器人及生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

哈工大冷勁松團(tuán)隊:在國際上首次實現(xiàn)基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽能電池系統(tǒng)的在軌可控展開
圖3 基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽能電池陣列的工作示意圖

 

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