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哈工大冷勁松院士團(tuán)隊(duì):智能材料技術(shù)助力五星紅旗在火星上隨風(fēng)飄揚(yáng)
2022-12-03  來源:中國(guó)聚合物網(wǎng)

  哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)近日在智能材料領(lǐng)域著名期刊《Smart Materials and Structures》上發(fā)表題為“World''s first application of a self-deployable mechanism based on shape memory polymer composites in Mars explorations: ground-based validation and on-Mars qualification”的文章分享我國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器成功展開五星紅旗的技術(shù)細(xì)節(jié)。


  根據(jù)“天問一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)的總體需求,在中國(guó)航天科技集團(tuán)的大力支持下,冷勁松院士團(tuán)隊(duì)基于具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的形狀記憶聚合物材料,構(gòu)建其復(fù)合材料等效力學(xué)行為的預(yù)測(cè)模型,提出了形狀記憶智能大變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。通過精細(xì)的力學(xué)理論分析和巧妙的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為天問一號(hào)火星探測(cè)器著陸平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)并制備了卷繞鎖定-展開模式的國(guó)旗形狀記憶鎖緊釋放結(jié)構(gòu),于20215月首次在火星上實(shí)現(xiàn)中國(guó)國(guó)旗的可控動(dòng)態(tài)展開,為中國(guó)探測(cè)器在火星打上“中國(guó)標(biāo)識(shí)”,使我國(guó)成為世界上首個(gè)將形狀記憶聚合物智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國(guó)家。這項(xiàng)成果入選2021年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。

 

1. “中國(guó)印跡”和“著巡合影”圖,其中國(guó)旗以紅色框線示出


  在著陸火星前,國(guó)旗形狀記憶鎖緊釋放結(jié)構(gòu)通過形狀記憶聚合物復(fù)合材料片層的彎曲變形,使國(guó)旗(旗面由蘭州空間技術(shù)物理研究所研制)長(zhǎng)時(shí)間保持卷繞收納的鎖定狀態(tài);著陸火星后,通過形狀記憶聚合物復(fù)合材料片層的回復(fù),實(shí)現(xiàn)國(guó)旗的超低沖擊解鎖和可控展開。團(tuán)隊(duì)對(duì)形狀記憶聚合物復(fù)合材料進(jìn)行了地面模擬的為期15個(gè)月的火星低溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)、紫外線、伽馬射線輻照實(shí)驗(yàn),綜合評(píng)估了材料的力學(xué)和形狀記憶性能,驗(yàn)證了材料具有良好的火星環(huán)境適應(yīng)性。團(tuán)隊(duì)在地面多次成功完成了模擬火星環(huán)境下的國(guó)旗解鎖與可控展開,證實(shí)了該結(jié)構(gòu)具有高可靠性。與展開瞬態(tài)沖擊高達(dá)10000g以上的火工品相比,該國(guó)旗鎖緊釋放結(jié)構(gòu)幾乎無沖擊,同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、收納比高的優(yōu)點(diǎn),適用于較大尺寸國(guó)旗的收攏與展開。

 

圖2. 國(guó)旗形狀記憶鎖緊釋放結(jié)構(gòu),(a)收攏狀態(tài),(b)展開狀態(tài)


圖3. 國(guó)旗形狀記憶鎖緊釋放結(jié)構(gòu)展開示意圖


  在此之前,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。提出了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的超輕鎖緊釋放結(jié)構(gòu),通過一系列地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的力學(xué)及鎖緊釋放性能,成功完成了立方星太陽能電池帆板的鎖緊及釋放(Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561)。這些前期工作為國(guó)旗形狀記憶鎖緊釋放結(jié)構(gòu)在火星探測(cè)任務(wù)中的成功應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

(a)                                  (b)

圖4. 基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的超輕鎖緊釋放結(jié)構(gòu),

(a)收攏狀態(tài),(b)展開狀態(tài)


  團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事形狀記憶聚合物復(fù)合材料及其智能空間展開結(jié)構(gòu)的研究,在理論分析、材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)研制和航天應(yīng)用方面積累了深厚的經(jīng)驗(yàn),在基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈、桁架、天線、太陽能電池陣列、離軌帆、鎖緊釋放結(jié)構(gòu)等方面均取得了豐富的成果。團(tuán)隊(duì)于2020年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的柔性太陽能電池陣列的在軌可控展開(Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451),2021年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了形狀記憶聚合物復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的火星應(yīng)用。未來,基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能展開結(jié)構(gòu)技術(shù)將為我國(guó)各種衛(wèi)星平臺(tái)、商業(yè)航天(微納衛(wèi)星、模塊化可重構(gòu)航天器等)、空間站、探月工程、深空探測(cè)(火星探測(cè)、小行星探測(cè)、木星探測(cè))等航天工程提供技術(shù)支持和保障。


  此外該團(tuán)隊(duì)在生物領(lǐng)域開發(fā)了多種基于形狀記憶聚合物的智能生物支架、人工假體、心臟封堵器等(Research, 2022, 9825656; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 12668-12678),設(shè)計(jì)制備了構(gòu)型、力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料和像素力學(xué)超材料(Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795),具有極大的應(yīng)用前景。


  原文鏈接:

  國(guó)旗形狀記憶鎖緊釋放結(jié)構(gòu)Smart Materials and Structures, 2022; 31: 115008.

  https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac93d1;

  力學(xué)理論分析:Composite Structures, 2023, 304, 116391. 

  https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116391

  帆板鎖緊釋放結(jié)構(gòu)Composite Structures, 2020; 232: 111561. 

  https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111561

  同步釋放結(jié)構(gòu):Composite Structures, 2022; 290: 115513. 

  https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115513


  更多信息見課題組網(wǎng)站:

  Center for Smart Materials and Structure (CSMS) (hit.edu.cn)

  http://smart.hit.edu.cn/

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(責(zé)任編輯:xu)
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