哈工大冷劲松院士团队：智能材料技术助力五星红旗在火星上随风飘扬

哈尔滨工业大学冷劲松院士团队近日在智能材料领域著名期刊《Smart Materials and Structures》上发表题为“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”的文章分享我国“天问一号”火星探测器成功展开五星红旗的技术细节。

根据“天问一号”火星探测任务的总体需求，在中国航天科技集团的大力支持下，冷劲松院士团队基于具有独立自主知识产权的形状记忆聚合物材料，构建其复合材料等效力学行为的预测模型，提出了形状记忆智能大变形结构的设计方法。通过精细的力学理论分析和巧妙的智能结构设计，为“天问一号”火星探测器着陆平台创新设计并制备了卷绕锁定-展开模式的国旗形状记忆锁紧释放结构，于2021年5月首次在火星上实现中国国旗的可控动态展开，为中国探测器在火星打上“中国标识”，使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物智能结构应用于深空探测工程的国家。这项成果入选2021年度“中国高等学校十大科技进展”。

图1. “中国印迹”和“着巡合影”图，其中国旗以红色框线示出

在着陆火星前，国旗形状记忆锁紧释放结构通过形状记忆聚合物复合材料片层的弯曲变形，使国旗（旗面由兰州空间技术物理研究所研制）长时间保持卷绕收纳的锁定状态；着陆火星后，通过形状记忆聚合物复合材料片层的回复，实现国旗的超低冲击解锁和可控展开。团队对形状记忆聚合物复合材料进行了地面模拟的为期15个月的火星低温存储实验、紫外线、伽马射线辐照实验，综合评估了材料的力学和形状记忆性能，验证了材料具有良好的火星环境适应性。团队在地面多次成功完成了模拟火星环境下的国旗解锁与可控展开，证实了该结构具有高可靠性。与展开瞬态冲击高达10000g以上的火工品相比，该国旗锁紧释放结构几乎无冲击，同时该结构具有质量轻、收纳比高的优点，适用于较大尺寸国旗的收拢与展开。

图2. 国旗形状记忆锁紧释放结构，(a)收拢状态，(b)展开状态

图3. 国旗形状记忆锁紧释放结构展开示意图

在此之前，团队已经对形状记忆聚合物复合材料的基础理论及工程应用进行了深入研究。提出了基于形状记忆聚合物复合材料的超轻锁紧释放结构，通过一系列地面实验验证了该结构的力学及锁紧释放性能，成功完成了立方星太阳能电池帆板的锁紧及释放(Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561)。这些前期工作为国旗形状记忆锁紧释放结构在火星探测任务中的成功应用奠定了坚实的基础。

(a)                             (b)
图4. 基于形状记忆聚合物复合材料的超轻锁紧释放结构，(a)收拢状态，(b)展开状态

团队长期从事形状记忆聚合物复合材料及其智能空间展开结构的研究，在理论分析、材料设计、结构研制和航天应用方面积累了深厚的经验，在基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、天线、太阳能电池阵列、离轨帆、锁紧释放结构等方面均取得了丰富的成果。团队于2020年在国际上首次实现了基于形状记忆聚合物复合材料的柔性太阳能电池阵列的在轨可控展开(Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451)，于2021年在国际上首次实现了形状记忆聚合物复合材料智能结构的火星应用。未来，基于形状记忆聚合物复合材料的智能展开结构技术将为我国各种卫星平台、商业航天（微纳卫星、模块化可重构航天器等）、空间站、探月工程、深空探测（火星探测、小行星探测、木星探测）等航天工程提供技术支持和保障。

此外该团队在生物领域开发了多种基于形状记忆聚合物的智能生物支架、人工假体、心脏封堵器等（Research, 2022, 9825656; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 12668-12678)，设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料(Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)，具有极大的应用前景。

原文链接：

国旗形状记忆锁紧释放结构：Smart Materials and Structures, 2022; 31: 115008.

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

力学理论分析：Composite Structures, 2023, 304, 116391.

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

帆板锁紧释放结构: Composite Structures, 2020; 232: 111561.

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

同步释放结构：Composite Structures, 2022; 290: 115513.

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

更多信息见课题组网站：

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

http://smart.hit.edu.cn/