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关于世界首个基于形状记忆聚合物复合材料的柔性太阳翼系统在轨验证的学术报告

一、 研究团队与发表信息

本研究由哈尔滨工业大学冷劲松教授团队联合中国空间技术研究院通信卫星研究所、上海空间电源研究所共同完成。主要作者包括兰鑫、刘立武、张风华、刘正贤、王琳琳、李启发、彭帆、郝思达、戴文旭、万雪、唐勇、王冕、郝艳艳、杨阳、杨程、刘彦菊和冷劲松*（*通讯作者）。研究成果以题为《World’s first spaceflight on-orbit demonstration of a flexible solar array system based on shape memory polymer composites》的论文形式，发表于《Science China Technological Sciences》（《中国科学：技术科学》英文版）2020年8月第63卷第8期（1436–1451页）。该论文是庆祝哈尔滨工业大学建校100周年的特刊文章之一。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于航天工程与智能材料交叉领域，具体聚焦于空间可展开结构技术。随着航天器对功率需求的增长，发展超大型、轻量化、高收纳比的太阳翼成为必然趋势。传统的刚性或半刚性太阳翼结构复杂、重量大、展开面积受限。以智能材料为基础的新型可展开结构是解决这一问题的关键方向。

形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer， SMP）是一种能在热刺激下产生巨大可恢复变形的智能材料。形状记忆聚合物复合材料（Shape Memory Polymer Composite， SMPC）则结合了SMP的大变形能力和纤维增强体的高刚度，具有大收纳/展开比、结构承载与主动驱动一体化、阻尼大、展开冲击小等优点，被认为是未来大型空间可展开结构，特别是柔性太阳翼的理想材料。此前，美国公司（DSS）于2017年成功在轨验证了基于传统复合材料薄壁管的卷绕式柔性太阳翼（ROSA），但其材料可逆应变极限（约2%）限制了结构壁厚和最大展开长度。

传统的空间释放机构通常采用火工品（电爆装置），存在不可测试、不可重复使用、解锁冲击大（瞬时高达10000g）等缺点。而SMPC凭借其超过10%的可逆压缩应变能力和超过10次的变形循环能力，有望用于制造具有可测试性、可重复使用性且接近零冲击的新型释放机构。

基于团队前期在材料级（2016年，实践十七号卫星）和部件级（2017年，实践十八号卫星，因火箭故障未能入轨）的SMPC在轨验证经验，本研究旨在完成系统级的SMPC技术空间验证。具体目标是：研究、开发、地面测试并最终在轨验证一套完整的、不依赖传统火工品或电机/控制器的基于SMPC的柔性太阳翼系统。该系统旨在展示SMPC作为结构框架和作动器在柔性太阳翼中的应用，以及SMPC作为新型低冲击、可测试释放机构的可行性，为下一代超大型空间可展开结构奠定技术基础。

三、 详细研究流程与方法

本研究是一个完整的“设计-制造-地面验证-在轨飞行”系统工程，流程严谨，环环相扣。

1. 系统设计与分析 研究首先进行了SMPC-FSAS的整系统设计。系统核心由三部分组成：(1) 一对环氧基SMPC可卷曲折叠变刚度梁：作为结构框架和驱动机构，采用透镜状截面以兼顾展开态的高刚度和收拢态的低应变。材料为碳纤维织物增强环氧基SMPC，玻璃化转变温度（Tg）为150°C。(2) 一块柔性毯式太阳电池阵：由砷化镓太阳电池组成，夹持在两SMPC梁之间。(3) 一对氰酸酯基SMPC释放机构：用于在发射阶段锁紧收拢状态的太阳翼，在轨加热后解锁。其SMPC层压板Tg高达210°C，以确保在轨高温环境下锁紧可靠性。释放机构设计需承受50g加速度的载荷（安全系数2.33），并提供10mm的解锁位移。

2. 地面力学性能测试（确保发射段安全） 作为航天飞行产品，必须通过严格的地面力学环境试验。所有试验均按中国航天飞行件验收级标准进行。 * 正弦扫频与随机振动试验（收拢状态）：在三个方向（X, Y, Z）对收拢状态的SMPC-FSAS进行测试。正弦扫频加速度为10g，随机振动总均方根加速度为10.2g（X, Y向）和13.2g（Z向）。试验前后均进行特征扫频（0.2g）以监测结构固有频率变化。结果表明，经历振动后各方向固有频率变化普遍小于1%，证明SMPC释放机构的锁紧刚度稳定可靠。Z向基频最低（114.20 Hz），动态放大因子约为4。 * 冲击试验（收拢状态）：在三个方向进行800g的冲击试验。试验后检查，所有敏感组件（热电偶、加热膜、限位开关等）功能正常，结构无损伤。 * 加速度试验（收拢状态）：在三个方向进行10g的恒加速度试验，各方向保持5分钟。试验后产品功能与外观检查均正常。 * 正弦扫频振动试验（展开状态）：测试展开状态下结构的动力学特性。结果显示，展开状态下的基频为21.97 Hz（X向），动态放大因子为21.3。Y向和Z向基频更高。21.97 Hz的基频对于空间展开结构而言足够高（大型柔性太阳翼基频可低至约0.2 Hz）。

3. 地面热性能测试（确保在轨环境适应性） 为验证SMPC-FSAS在太空极端温度环境下的稳定性，进行了系列热试验。 * 热平衡试验：包括稳态和瞬态试验，用于预测在轨温度分布。使用太阳模拟器，在真空环境下模拟卫星东板位置的热流条件。试验中布置了18个热电偶监测温度。结果表明，SMPC梁顶部最高温度可达73°C，而SMPC释放机构变形区温度在27-35°C之间，极端低温低于-70°C。这些数据为后续热循环试验提供了温度参考（高温73°C，低温-102°C，并留出15°C余量）。 * 热真空循环试验：在空间环境模拟设备（KM2）中进行，真空度约10^-4 Pa量级。温度循环范围为-88°C至+117°C，共进行6.5个循环。每个循环高低温保持4小时以稳定温度。试验后产品外观和功能检查正常，电阻值在正常范围内。 * 大气热循环试验：为进一步确保可靠性，在大气环境下进行了18.5个循环的热循环试验，温度范围为-117°C至+88°C。总时长227小时。试验后所有电气通道功能正常。

4. 地面释放与展开功能评估 在地面热真空试验后，还在真空罐内进行了释放与展开的功能演示，验证了SMPC释放机构和SMPC梁在模拟空间环境下的工作性能。

5. 在轨演示验证 完成所有地面测试后，SMPC-FSAS飞行件安装于实践二十号（SJ20）地球静止轨道卫星的东板上，随卫星于2019年12月27日由长征五号遥三运载火箭成功发射。发射过程中，SMPC释放机构的锁紧功能正常。2020年1月5日，在卫星定点后，择机进行了在轨演示。 * 释放过程：对释放机构通电加热，总加热时长234秒。在第139秒，地面收到限位开关触发信号，表明释放机构的插销位移已达到7mm（完全解锁仅需4mm），成功解锁。 * 展开过程：通过卫星东板边缘的监视相机（5帧/秒）观测。通电加热后，一对环氧基SMPC变刚度管缓慢驱动柔性太阳翼展开。0-10秒内展开较慢，10-30秒较快，30-60秒内缓慢接近并达到约100%的形状恢复率。

四、 主要研究结果

1. 地面测试结果：全面验证了SMPC-FSAS飞行件的力学可靠性与热环境适应性。力学试验证明其能承受发射段的振动、冲击和过载环境，锁紧机构稳定。热试验证明其在预测的极端高低温（-117°C ~ +117°C）循环下功能完好。这为上天飞行奠定了坚实的基础。
2. 在轨验证结果：
   • 释放机构成功解锁：限位开关信号在第139秒返回，确认氰酸酯基SMPC释放机构按设计工作，成功解锁了收拢的太阳翼。这首次在轨验证了SMPC作为空间释放机构的可行性，实现了低冲击（过程持续数秒，冲击接近零）、可测试的功能。
   • SMPC梁成功驱动展开：环氧基SMPC变刚度梁在加热后成功驱动柔性太阳翼在60秒内完全展开，形状恢复率接近100%。这验证了SMPC作为兼具结构承载和驱动功能的一体化智能部件在空间可展开结构中的应用潜力。
   • 系统级功能成功：整个SMPC-FSAS系统在轨按预定流程完成了从锁紧、接收到释放、展开的全过程，实现了世界首次SMPC柔性太阳翼系统的在轨演示。

这些结果逻辑连贯：地面测试确保了产品可靠性，是在轨成功的前提；在轨演示的成功，则直接验证了SMPC材料与结构设计用于空间释放与展开系统的正确性和工程可行性。结果直接支撑了研究的最终结论。

五、 研究结论与价值

本研究成功设计、研制并完成了世界首个基于形状记忆聚合物复合材料（SMPC）的柔性太阳翼系统（SMPC-FSAS）的地面测试与在轨验证。

• 科学价值：在系统层级上，实证了SMPC材料应用于航天智能结构的完整技术路径，包括材料设计、结构力学、热控、地面测试标准及在轨操作流程，为SMPC在航天领域的深入研究提供了宝贵的全周期数据和应用范例。
• 工程应用价值：
  • 为新型释放机构提供了方案：SMPC释放机构展示了低冲击、可测试、可重复使用的优势，为替代传统火工品（在某些低载荷场景下）提供了可能。
  • 为超大型空间可展开结构开辟了新途径：SMPC高达10%的宏观可逆应变能力，使得在相同设计形式下，结构壁厚可比传统复合材料（约2%应变）增加，从而显著提高展开后结构的刚度和基频。研究表明，采用SMPC的卷绕式太阳翼（SMPC-ROSA）的极限展开长度有望达到约17.4米（基频0.2 Hz），优于传统ROSA的约7.6米，展示了其在未来超大型太阳翼等结构中的应用潜力。
  • 实现了结构功能一体化：SMPC智能结构集锁紧释放、可控展开、展开后高刚度等功能于一体，简化了系统，降低了传统复杂机械机构带来的重量和可靠性风险。

六、 研究亮点

1. 全球首次：这是世界上首次在轨演示验证基于SMPC的完整柔性太阳翼系统，标志着该技术从实验室走向了工程实践。
2. 系统级创新：不仅验证了SMPC作为驱动结构（变刚度梁）的功能，更创新性地将其应用于空间释放机构，实现了从“材料”到“部件”再到“系统”的跨越。
3. 完整的研制流程：研究涵盖了从材料选择、结构设计、地面力学与热学环境模拟试验、到最终在轨验证的全链条工作，流程完整、数据详实，具有很高的工程参考价值。
4. 解决工程痛点：针对传统空间释放机构（火工品）冲击大、不可测试，以及传统复合材料可展开结构应变能力有限的问题，提出了基于SMPC的创新型解决方案，并进行了实证。

七、 其他有价值内容

论文还对SMPC应用于超大型结构的潜力进行了定量估算。通过对比美国ROSA系统的公开参数，论文估算了在相同弯曲曲率半径（5mm）下，采用SMPC（10%应变）与传统复合材料（2%应变）所能达到的最大壁厚和极限展开长度。计算表明，SMPC可将层合板壁厚从0.2 mm增至0.6 mm，从而在保持相同基频（如0.4 Hz）下，将结构长度从5.4米（ROSA）大幅提升至约12.3米；若以0.2 Hz为设计下限，极限长度可达约17.4米。这一对比分析从原理上凸显了SMPC在大应变应用场景下的巨大优势。

此外，论文提到本研究是哈尔滨工业大学冷劲松教授团队SMPC空间验证“三步走”规划（材料级、部件级、系统级）的最后一步，体现了团队在该领域长期、系统的研究布局和最终取得的里程碑式成果。