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合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)”，2019年12月27日搭載中國空間技術研究院研制的實踐二十號衛(wèi)星在海南文昌隨長征五號火箭成功飛天。作為衛(wèi)星的主要任務之一，該系統(tǒng)于2020年1月5日成功完成了關鍵技術試驗，在國際上首次實現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復合材料結構的柔性太陽能電池的在軌可控展開，總體單位認為：解決了柔性太陽能電池的地面卷曲鎖緊-在軌可控展開-展開后高剛度可承載的難題。
太陽能電池作為航天飛行器的關鍵部件之一，通常需要經歷“地面制造-折疊收攏-發(fā)射至太空-空間展開”四個步驟之后，才能實現(xiàn)在軌工作。未來下一代大型或超大型空間結構對能源系統(tǒng)提出了極高的要求，柔性太陽能電池作為太陽能電池發(fā)展的新趨勢之一，具有質量輕、柔韌性好、收納比高等優(yōu)點，但在航天應用過程中也存在收攏鎖緊、驅動展開和展開后剛度較低等難題。
在杜善義院士、韓杰才院士的帶領下，我校復合材料與結構研究所于20世紀90年代初就在國內較早地確立了智能材料與結構的研究方向。在其“理工結合，服務航天”發(fā)展理念的指導下，冷勁松教授課題組從事智能材料結構力學及其在航天、航空、生物醫(yī)學等領域的應用研究。2006年開始，課題組開展形狀記憶聚合物及其復合材料結構的研究，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)是一種激勵響應聚合物材料（見圖1），具有主動可控大變形（20%-500%）、驅動方式多樣、剛度可變等特性，可被設計成集驅動與承載功能一體化的部件，結構簡單，可靠性高，未來有望部分替代復雜的機電驅動系統(tǒng)。
本次搭載的“基于形狀記憶聚合物智能復合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)”，主要包括哈工大研制的形狀記憶復合材料鎖緊釋放機構、形狀記憶聚合物復合材料可展開梁和上?？臻g電源研究所研制的柔性太陽能薄膜電池?；趶秃喜牧狭W理論和結構精細化設計，形狀記憶聚合物復合材料結構可以實現(xiàn)柔性太陽能電池的鎖緊、釋放和展開，及展開后高剛度可承載等功能。在衛(wèi)星發(fā)射過程中，形狀記憶復合材料鎖緊釋放機構可以提供并實現(xiàn)高剛度鎖緊；入軌后，完成在軌穩(wěn)定、無沖擊的解鎖；展開過程中，通過形狀記憶聚合物復合材料可展開梁的可控伸展，驅動柔性太陽能薄膜電池展開（見圖2）；展開后，形狀記憶聚合物復合材料梁結構的剛度回復到與常規(guī)復合材料結構相當的水平，其展開狀態(tài)的基頻較高，提供高剛度承載功能。本次搭載的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)，通過形狀記憶聚合物復合材料結構實現(xiàn)了鎖緊、釋放和結構展開的功能，沒有采用傳統(tǒng)的火工分離裝置、鉸鏈及電機驅動等方法，結構簡單，解鎖和展開過程幾乎無沖擊，展開時間和過程可控，展開后結構的剛度較高。
在中國空間技術研究院通信衛(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合材料結構的柔性太陽能電池系統(tǒng)”于2020年1月5日成功在軌驗證，這是繼2016年哈工大在國際上首次實現(xiàn)地球同步軌道環(huán)境下形狀記憶聚合物復合材料的在軌驗證之后，在國際上首次實現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物復合材料結構的柔性太陽能電池系統(tǒng)的在軌可控展開，兩次在軌任務的成功，標志著我國智能材料及其航天器結構的研究處于國際前列。在前期技術積累的基礎上，基于形狀記憶聚合物復合材料的智能結構，還將應用于我國首次火星探測任務—“天問-1號”。未來，相關技術也有望應用于深空探測、空間站、探月工程、衛(wèi)星等不同航天器平臺中的空間可展開結構、鎖緊釋放機構及柔性太陽能電池系統(tǒng)（見圖3），在航天、航空、汽車、高端裝備、智能制造、機器人及生物醫(yī)療等領域具有廣泛的應用前景。
