《空间可展开结构用高应变复合材料的设计、建模与制造研究进展》学术报告

作者及机构
该综述文章由Xiaofei Ma（中国空间技术研究院西安分院）、Ning An（四川大学）、Qiang Cong（北京空间飞行器系统工程研究所）等来自中国空间技术研究院、四川大学、同济大学、浙江大学、西安交通大学等7所机构的25位学者联合完成，发表于《Communications Engineering》2024年第3卷第78期。

研究主题与背景
本文聚焦航天可展开结构领域的高应变复合材料（High-Strain Composites, HSCs），系统综述了其在空间可展开结构中的设计、建模与制造最新进展。随着下一代空间任务对大型轻量化机构的需求增长，传统金属材料因高密度、低应变能力等局限性逐渐被纤维增强聚合物复合材料取代。HSCs凭借优异的比强度（strength-to-weight ratio）、制造灵活性和自展开能力成为主流选择，但长期在轨存储（stowage）导致的聚合物基体粘弹性/塑性退化（viscoelastic/plastic degradation）会引发应力松弛（stress relaxation）和塑性应变累积，严重影响结构展开精度与可靠性。

核心学术观点与论据

1. 可展开复合材料的几何与材料设计创新
*观点*：通过优化几何构型和复合材料铺层设计可降低折叠应力，同时保持结构刚度。
*论据*：
- 几何设计：
- 切口优化：Mallikarachchi等通过失效准则分析碳纤维增强塑料（CFRP）胶带弹簧铰链（tape-spring hinge）的切口长度、宽度等参数对失效指数的影响（图2a）。Jin等结合数据驱动代理模型与形状优化，实现折叠应变能与展开力矩的多目标优化。
- 截面创新：Yang等提出四单元透镜状蜂窝构型（four-cell lenticular honeycomb）可避免应力集中（图2e）；Cao等设计的八C形薄壁组合截面（eight C-shaped thin-walled shells）通过间隙控制降低存储应力（图2f）。
- 材料设计：
- 传统CFRP/环氧树脂基体存在玻璃化转变温度限制，Zhang等开发的高温碳纤维/双马来酰亚胺树脂（bismaleimide）复合材料在极端热环境下仍保持双稳态特性。
- 智能材料应用：An等将形状记忆合金（SMA）与折纸结构结合实现自展开系统；Liu等验证形状记忆聚合物基复合材料（SMPC）在30次折叠循环后仍保持可控展开性能。

2. 长期存储行为的粘弹性多尺度建模
*观点*：多尺度均质化方法可有效预测复合材料在长期存储中的时变力学行为。
*论据*：
- 两尺度建模框架（图3）：
- 微观尺度：建立单向复合材料的代表性体积单元（RVE），纤维视为线弹性材料，基体采用广义Maxwell模型（Prony级数）描述粘弹性。
- 介观尺度：通过编织复合材料RVE计算层合板的ABD刚度矩阵，该矩阵随时间/温度变化，如式(1)-(2)所示。
- 验证案例：
- Kwok等分析平纹编织胶带弹簧壳的展开性能随时间退化规律；Zhang等发现C形壳的第二稳定状态曲率随存储温度/时间增加而增大。
- Brinkmeyer等证明存储时间/温度升高会导致双稳态胶带弹簧丧失自主展开能力。

3. 制造工艺与残余应力控制
*观点*：树脂性能与固化工艺是影响结构形状恢复精度的关键因素。
*论据*：
- 树脂性能要求：需满足机械强度、热稳定性（-80~100°C）、低粘弹性、尺寸稳定性（低热膨胀系数）等6类指标。
- 工艺优化：
- 真空袋法（图4）：Bai团队详细描述透镜状可展开臂的半壳固化、边缘修整与粘接流程，适用于高精度复杂截面。
- 先进拉挤技术（ADP）：Zhang等实现75米超长结构的连续成型（图5），但精度略低于真空袋法。
- 残余应力控制：通过低温固化、分级固化、外场预紧力等方法降低热变形，但需平衡界面性能与工艺成本。

4. 空间应用现状与挑战
*观点*：HSCs已成功应用于太阳能阵列、天线、太阳帆等空间机构，但长期存储效应仍是技术瓶颈。
*论据*：
- 典型应用（表3、图6）：
- 折叠管：欧洲空间局（ESA）火星快车天线因Kevlar/玻璃纤维复合材料的粘弹性导致展开延迟。
- 可卷曲臂：牛津空间系统（OSS）的X波段包裹肋天线（wrapped-rib antenna）通过CFRP肋条实现高收纳比。
- 柔性膜：日本IKAROS太阳帆采用聚酰亚胺膜与CFRP臂组合，验证了在轨展开可行性。
- 中国进展：嫦娥四号中继卫星伞状天线（图7）采用碳纤维基板，实现轴向刚度≥20N/μm；上海航天技术研究院完成膜天线地面试验。

学术价值与亮点
1. 系统性综述：首次整合几何设计、粘弹性建模、制造工艺三大学术分支，提出“长期存储效应”为核心挑战。
2. 方法创新：
- 提出多尺度均质化框架定量预测时变刚度退化。
- 开发智能材料与异质铺层优化等抗松弛设计策略。
3. 应用指导：明确空间可展开结构的材料选择标准（如树脂热稳定性≥150°C）与工艺优化路径（如ADP连续成型）。
4. 中国贡献：详述中国在超大天线（如100米级）、高温复合材料等领域的特色研究，反映航天复合材料的国产化进展。

未来方向
文中指出需进一步研究：
- 粘弹性-塑性耦合本构模型开发
- 考虑存储效应的多目标优化设计
- 空间环境（辐射、原子氧）与力学耦合退化机制
- 超轻量化智能材料在轨验证