科技日報記者 李麗雲 通訊員 蘭鑫 劉立武
記者5月25日從哈爾濱工業大學獲悉，該校冷勁松教授課題組研製的「基於形狀記憶聚合物智能複合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統」，於2019年12月27日搭載中國空間技術研究院研製的實踐二十號衛星在海南文昌隨長徵五號火箭成功飛天，2020年1月5日成功完成了關鍵技術試驗，在國際上首次實現了基於形狀記憶聚合物複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，該系統解決了柔性太陽能電池的地面捲曲鎖緊-在軌可控展開-展開後高剛度可承載的難題。
未來下一代大型或超大型空間結構對能源系統提出了極高的要求，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存在收攏鎖緊、驅動展開和展開後剛度較低等難題。
在杜善義院士、韓傑才院士帶領下，哈工大複合材料與結構研究所於20世紀90年代初就在國內較早確立了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、生物醫學等領域的研究。2006年開始，課題組啟動開展形狀記憶聚合物及其複合材料結構的研究，自主研發了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)是一種激勵響應的非金屬高分子材料，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，未來有望部分替代複雜的機電驅動系統。
圖1 用形狀記憶聚合物材料製成的花朵綻放過程
本次搭載的「基於形狀記憶聚合物智能複合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統」，主要包括哈工大研製的形狀記憶複合材料鎖緊釋放機構、形狀記憶聚合物複合材料可展開梁和上海空間電源研究所研製的柔性太陽能薄膜電池。基於複合材料力學理論和結構精細化設計，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複合材料結構實現了鎖緊、釋放和結構展開的功能，沒有採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衝擊，展開時間和過程可控，展開後結構的基頻和剛度都較高。
圖2 基於形狀記憶聚合物複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，本次哈工大科研團隊在國際上首次實現了基於形狀記憶聚合物複合材料結構的柔性太陽能電池系統的在軌可控展開驗證，是該團隊繼2016年在國際上首次實現地球同步軌道環境下形狀記憶聚合物複合材料的在軌驗證之後，再次創造的一個「國際首次」記錄，兩次「國際首次」在軌任務的成功，標誌著我國智能材料及其太空飛行器結構的研究處於國際前列。在前期技術積累基礎上，基於形狀記憶聚合物複合材料的智能結構，還將應用於我國首次火星探測任務—「天問一號」。
未來，相關技術也有望應用於深空探測、空間站、探月工程、衛星等不同太空飛行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，在航天、航空、汽車、高端裝備、智能製造、機器人及生物醫療等領域也具有廣泛的應用前景。
圖3 基於形狀記憶聚合物複合材料結構的可展開柔性太陽能電池陣列的工作示意圖
(文中圖片由受訪者提供)
編輯：李俊霞
審核：朱麗