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图1 用形状记忆聚合物材料制成的花朵绽放过程
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(见图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,其展开状态的基频较高,提供高刚度承载功能。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。
图2 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
在中国空间技术研究院通讯卫星事业部的大力支持和帮助下,“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的柔性太阳能电池系统”于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。在前期技术积累的基础上,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”。未来,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(见图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。
图3 基于形状记忆聚合物复合材料结构的可展开柔性太阳能电池阵列的工作示意图
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