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哈工大冷勁松院士團隊:智能材料技術助力五星紅旗在火星上隨風飄揚
2022-12-03  來源:中國聚合物網

  哈爾濱工業大學冷勁松院士團隊近日在智能材料領域著名期刊《Smart Materials and Structures》上發表題為“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“天問一號”火星探測器成功展開五星紅旗的技術細節。


  根據“天問一號”火星探測任務的總體需求,在中國航天科技集團的大力支持下,冷勁松院士團隊基于具有獨立自主知識產權的形狀記憶聚合物材料,構建其復合材料等效力學行為的預測模型,提出了形狀記憶智能大變形結構的設計方法。通過精細的力學理論分析和巧妙的智能結構設計,為天問一號火星探測器著陸平臺創新設計并制備了卷繞鎖定-展開模式的國旗形狀記憶鎖緊釋放結構,于20215月首次在火星上實現中國國旗的可控動態展開,為中國探測器在火星打上“中國標識”,使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能結構應用于深空探測工程的國家。這項成果入選2021年度“中國高等學校十大科技進展”。

 

1. “中國印跡”和“著巡合影”圖,其中國旗以紅色框線示出


  在著陸火星前,國旗形狀記憶鎖緊釋放結構通過形狀記憶聚合物復合材料片層的彎曲變形,使國旗(旗面由蘭州空間技術物理研究所研制)長時間保持卷繞收納的鎖定狀態;著陸火星后,通過形狀記憶聚合物復合材料片層的回復,實現國旗的超低沖擊解鎖和可控展開。團隊對形狀記憶聚合物復合材料進行了地面模擬的為期15個月的火星低溫存儲實驗、紫外線、伽馬射線輻照實驗,綜合評估了材料的力學和形狀記憶性能,驗證了材料具有良好的火星環境適應性。團隊在地面多次成功完成了模擬火星環境下的國旗解鎖與可控展開,證實了該結構具有高可靠性。與展開瞬態沖擊高達10000g以上的火工品相比,該國旗鎖緊釋放結構幾乎無沖擊,同時該結構具有質量輕、收納比高的優點,適用于較大尺寸國旗的收攏與展開。

 

圖2. 國旗形狀記憶鎖緊釋放結構(a)收攏狀態,(b)展開狀態


圖3. 國旗形狀記憶鎖緊釋放結構展開示意圖


  在此之前,團隊已經對形狀記憶聚合物復合材料的基礎理論及工程應用進行了深入研究。提出了基于形狀記憶聚合物復合材料的超輕鎖緊釋放結構,通過一系列地面實驗驗證了該結構的力學及鎖緊釋放性能,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)。這些前期工作為國旗形狀記憶鎖緊釋放結構在火星探測任務中的成功應用奠定了堅實的基礎。

 

(a)                                  (b)

圖4. 基于形狀記憶聚合物復合材料的超輕鎖緊釋放結構,

(a)收攏狀態,(b)展開狀態


  團隊長期從事形狀記憶聚合物復合材料及其智能空間展開結構的研究,在理論分析、材料設計、結構研制和航天應用方面積累了深厚的經驗,在基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈、桁架、天線、太陽能電池陣列、離軌帆、鎖緊釋放結構等方面均取得了豐富的成果。團隊于2020年在國際上首次實現了基于形狀記憶聚合物復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年在國際上首次實現了形狀記憶聚合物復合材料智能結構的火星應用。未來,基于形狀記憶聚合物復合材料的智能展開結構技術將為我國各種衛星平臺、商業航天(微納衛星、模塊化可重構航天器等)、空間站、探月工程、深空探測(火星探測、小行星探測、木星探測)等航天工程提供技術支持和保障。


  此外該團隊在生物領域開發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),設計制備了構型、力學性能可調節、可重構的拉脹力學超材料和像素力學超材料(Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795),具有極大的應用前景。


  原文鏈接:

  國旗形狀記憶鎖緊釋放結構Smart Materials and Structures, 2022; 31: 115008.

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

  力學理論分析:Composite Structures, 2023, 304, 116391. 

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

  帆板鎖緊釋放結構Composite Structures, 2020; 232: 111561. 

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

  同步釋放結構:Composite Structures, 2022; 290: 115513. 

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


  更多信息見課題組網站:

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

  http://smart.hit.edu.cn/

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(責任編輯:xu)
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