哈工大冷勁松團隊:在國際上首次實現基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開

哈工大冷勁松教授課題組研制的“基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統”,2019年12月27日搭載中國空間技術研究院研制的實踐二十號衛星在海南文昌隨長征五號火箭成功飛天。作為衛星的主要任務之一,該系統於2020年1月5日成功完成瞭關鍵技術試驗,在國際上首次實現瞭基於形狀記憶聚合物復合材料結構的柔性太陽能電池的在軌可控展開,總體單位認為:解決瞭柔性太陽能電池的地面卷曲鎖緊-在軌可控展開-展開後高剛度可承載的難題。

太陽能電池作為航天飛行器的關鍵部件之一,通常需要經歷“地面制造-折疊收攏-發射至太空-空間展開”四個步驟之後,才能實現在軌工作。未來下一代大型或超大型空間結構對能源系統提出瞭極高的要求,柔性太陽能電池作為太陽能電池發展的新趨勢之一,具有質量輕、柔韌性好、收納比高等優點,但在航天應用過程中也存在收攏鎖緊、驅動展開和展開後剛度較低等難題。

杜善義院士韓傑才院士的帶領下,我校復合材料與結構研究所於20世紀90年代初就在國內較早地確立瞭智能材料與結構的研究方向。在其“理工結合,服務航天”發展理念的指導下,冷勁松教授課題組從事智能材料結構力學及其在航天、航空、生物醫學等領域的應用研究。2006年開始,課題組開展形狀記憶聚合物及其復合材料結構的研究,自主研發瞭適用於航天環境的多種類、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)是一種激勵響應聚合物材料(見圖1),具有主動可控大變形(20%-500%)、驅動方式多樣、剛度可變等特性,可被設計成集驅動與承載功能一體化的部件,結構簡單,可靠性高,未來有望部分替代復雜的機電驅動系統。

哈工大冷勁松團隊:在國際上首次實現基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開
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“基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統”,主要包括哈工大研制的形狀記憶復合材料鎖緊釋放機構、形狀記憶聚合物復合材料可展開梁和上海空間電源研究所研制的柔性太陽能薄膜電池。基於復合材料力學理論和結構精細化設計,形狀記憶聚合物復合材料結構可以實現柔性太陽能電池的鎖緊、釋放和展開,及展開後高剛度可承載等功能。在衛星發射過程中,形狀記憶復合材料鎖緊釋放機構可以提供並實現高剛度鎖緊;入軌後,完成在軌穩定、無沖擊的解鎖;展開過程中,通過形狀記憶聚合物復合材料可展開梁的可控伸展,驅動柔性太陽能薄膜電池展開(見圖2);展開後,形狀記憶聚合物復合材料梁結構的剛度回復到與常規復合材料結構相當的水平,其展開狀態的基頻較高,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,通過形狀記憶聚合物復合材料結構實現瞭鎖緊、釋放和結構展開的功能,沒有采用傳統的火工分離裝置、鉸鏈及電機驅動等方法,結構簡單,解鎖和展開過程幾乎無沖擊,展開時間和過程可控,展開後結構的剛度較高。

哈工大冷勁松團隊:在國際上首次實現基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開
圖2 基於形狀記憶聚合物復合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開

在中國空間技術研究院通信衛星事業部的大力支持和幫助下,“基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的柔性太陽能電池系統”於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地球同步軌道環境下形狀記憶聚合物復合材料的在軌驗證之後,在國際上首次實現瞭基於形狀記憶聚合物復合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開,兩次在軌任務的成功,標志著我國智能材料及其航天器結構的研究處於國際前列。在前期技術積累的基礎上,基於形狀記憶聚合物復合材料的智能結構,還將應用於我國首次火星探測任務—“天問-1號”。未來,相關技術也有望應用於深空探測、空間站、探月工程、衛星等不同航天器平臺中的空間可展開結構、鎖緊釋放機構及柔性太陽能電池系統(見圖3),在航天、航空、汽車、高端裝備、智能制造、機器人及生物醫療等領域具有廣泛的應用前景。

哈工大冷勁松團隊:在國際上首次實現基於形狀記憶聚合物智能復合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開
圖3 基於形狀記憶聚合物復合材料結構的可展開柔性太陽能電池陣列的工作示意圖

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