哈工大再夺“国际首次”！新型柔性太阳能电池可在太空中像画卷一样展开

5月25日从哈尔滨工业大学获悉，该校冷劲松教授课题组研制的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”，于2019年12月27日搭载中国空间技术研究院研制的实践二十号卫星在海南文昌随长征五号火箭成功飞天，2020年1月5日成功完成了关键技术试验，在国际上首次实现了基于形状记忆聚合物复合材料结构的柔性太阳能电池的在轨可控展开。总体单位认为，该系统解决了柔性太阳能电池的地面卷曲锁紧-在轨可控展开-展开后高刚度可承载的难题。

未来下一代大型或超大型空间结构对能源系统提出了极高的要求，柔性太阳能电池作为太阳能电池发展的新趋势之一，具有质量轻、柔韧性好、收纳比高等优点，但在航天应用过程中存在收拢锁紧、驱动展开和展开后刚度较低等难题。

在杜善义院士、韩杰才院士带领下，哈工大复合材料与结构研究所于20世纪90年代初就在国内较早确立了智能材料与结构的研究方向。在其“理工结合，服务航天”发展理念的指导下，冷劲松教授课题组从事智能材料结构力学及其在航天、航空、生物医学等领域的研究。2006年开始，课题组启动开展形状记忆聚合物及其复合材料结构的研究，自主研发了适用于航天环境的多种类、不同系列的形状记忆聚合物材料，这些材料能满足高低轨道等不同极端空间环境的需求。

与形状记忆合金(Shape Memory Alloy)不同，形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer)是一种激励响应的非金属高分子材料，具有主动可控大变形(20%-500%)、驱动方式多样、刚度可变等特性，可被设计成集驱动与承载功能一体化的部件，结构简单，可靠性高，未来有望部分替代复杂的机电驱动系统。

图1 用形状记忆聚合物材料制成的花朵绽放过程

本次搭载的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”，主要包括哈工大研制的形状记忆复合材料锁紧释放机构、形状记忆聚合物复合材料可展开梁和上海空间电源研究所研制的柔性太阳能薄膜电池。基于复合材料力学理论和结构精细化设计，本次搭载的可展开柔性太阳能电池系统，通过形状记忆聚合物复合材料结构实现了锁紧、释放和结构展开的功能，没有采用传统的火工分离装置、铰链及电机驱动等方法，结构简单，解锁和展开过程几乎无冲击，展开时间和过程可控，展开后结构的基频和刚度都较高。

图2 基于形状记忆聚合物复合材料结构的柔性太阳能电池系统的在轨可控展开

在中国空间技术研究院通信卫星事业部的大力支持和帮助下，本次哈工大科研团队在国际上首次实现了基于形状记忆聚合物复合材料结构的柔性太阳能电池系统的在轨可控展开验证，是该团队继2016年在国际上首次实现地球同步轨道环境下形状记忆聚合物复合材料的在轨验证之后，再次创造的一个“国际首次”记录，两次“国际首次”在轨任务的成功，标志着我国智能材料及其航天器结构的研究处于国际前列。在前期技术积累基础上，基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构，还将应用于我国首次火星探测任务—“天问一号”。

未来，相关技术也有望应用于深空探测、空间站、探月工程、卫星等不同航天器平台中的空间可展开结构、锁紧释放机构及柔性太阳能电池系统，在航天、航空、汽车、高端装备、智能制造、机器人及生物医疗等领域也具有广泛的应用前景。(文中图片由受访者提供)

图3 基于形状记忆聚合物复合材料结构的可展开柔性太阳能电池阵列的工作示意图