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(kāi)柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)”，2019年12月27日搭載中國(guó)空間技術(shù)研究院研制的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星在海南文昌隨長(zhǎng)征五號(hào)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(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽(yáng)能電池的在軌可控展開(kāi)，總體單位認(rèn)為：解決了柔性太陽(yáng)能電池的地面卷曲鎖緊-在軌可控展開(kāi)-展開(kāi)后高剛度可承載的難題。
太陽(yáng)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(kāi)”四個(gè)步驟之后，才能實(shí)現(xiàn)在軌工作。未來(lái)下一代大型或超大型空間結(jié)構(gòu)對(duì)能源系統(tǒng)提出了極高的要求，柔性太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能電池發(fā)展的新趨勢(shì)之一，具有質(zhì)量輕、柔韌性好、收納比高等優(yōu)點(diǎn)，但在航天應(yīng)用過(guò)程中也存在收攏鎖緊、驅(qū)動(dòng)展開(kāi)和展開(kāi)后剛度較低等難題。
在杜善義院士、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(guó)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(kāi)始，課題組開(kāi)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(lì)響應(yīng)聚合物材料（見(jiàn)圖1），具有主動(dòng)可控大變形（20%-500%）、驅(qū)動(dòng)方式多樣、剛度可變等特性，可被設(shè)計(jì)成集驅(qū)動(dòng)與承載功能一體化的部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，未來(lái)有望部分替代復(fù)雜的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
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(kāi)柔性太陽(yáng)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(kāi)梁和上海空間電源研究所研制的柔性太陽(yáng)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(jì)，形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)柔性太陽(yáng)能電池的鎖緊、釋放和展開(kāi)，及展開(kāi)后高剛度可承載等功能。在衛(wèi)星發(fā)射過(guò)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(shí)現(xiàn)高剛度鎖緊；入軌后，完成在軌穩(wěn)定、無(wú)沖擊的解鎖；展開(kāi)過(guò)程中，通過(guò)形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開(kāi)梁的可控伸展，驅(qū)動(dòng)柔性太陽(yáng)能薄膜電池展開(kāi)（見(jiàn)圖2）；展開(kāi)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)乃剑湔归_(kāi)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(kāi)柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，通過(guò)形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了鎖緊、釋放和結(jié)構(gòu)展開(kāi)的功能，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的火工分離裝置、鉸鏈及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解鎖和展開(kāi)過(guò)程幾乎無(wú)沖擊，展開(kāi)時(shí)間和過(guò)程可控，展開(kāi)后結(jié)構(gòu)的剛度較高。
在中國(guó)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(yáng)能電池系統(tǒng)”于2020年1月5日成功在軌驗(yàn)證，這是繼2016年哈工大在國(guó)際上首次實(shí)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(yàn)證之后，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的在軌可控展開(kāi)，兩次在軌任務(wù)的成功，標(biāo)志著我國(guó)智能材料及其航天器結(jié)構(gòu)的研究處于國(guó)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(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)—“天問(wèn)-1號(hào)”。未來(lái)，相關(guān)技術(shù)也有望應(yīng)用于深空探測(cè)、空間站、探月工程、衛(wèi)星等不同航天器平臺(tái)中的空間可展開(kāi)結(jié)構(gòu)、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)及柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)（見(jiàn)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。
