一种基于形状记忆聚合物的可控有序展开太阳帆的制作方法

摘要

一种基于形状记忆聚合物的可控有序展开太阳帆的制作方法，涉及一种太阳帆的制作方法，具体涉及一种用于宇宙飞船的太阳帆的制作方法。为了解决现有的充气式结构的太阳帆存在的驱动机制复杂、展开过程不稳定、易使结构受损以及漏气的问题和机械式展开支撑结构太阳帆的存在结构复杂、展开可靠性差、整体重量重、折叠效率低、发射体积大的问题。本发明首先将形状记忆聚合物材料合成形状记忆聚合物薄膜，并在形状记忆聚合物薄膜上覆盖电热膜；并将柔性材料反光膜固定在覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜上，然后将电热膜通电加热至形状记忆聚合物薄膜软化，将太阳帆帆面有序的折叠，断电后冷却，得到折叠成折叠状的太阳帆。本发明适用太阳帆的制作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳帆的制作方法，具体涉及一种用于宇宙飞船的太阳帆的制作方 法。

背景技术

著名天文学家开普勒早在400年前就曾设想过不携带任何能源，仅依靠太阳光的能量 使飞船驰骋太空的可能性。并且计算出太阳光可为宇宙飞船提供的具体推力。1924年， 俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和其同事灿德尔明确提出“用照射到很薄的巨大反射 镜上的太阳光所产生的推力获得宇宙速度”。灿德尔首先提出了太阳帆——这种包在硬质 塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

2005年6月22日，俄罗斯用“波浪”火箭发射了以太阳光为动力的“宇宙一号 (Cosmos-1)”飞船，进行太阳帆的首次受控飞行尝试。在发射约20分钟后，飞船与地 面失去了联系。升空的飞船由8片三角形聚酯薄膜帆板组成，耗资400万美元。

2010年，日本宇宙航空研究开发机构称，已确认“Ikaros”太阳帆飞船的太阳帆成功 展开，并公开了飞船上摄像头拍下的图像“该飞船在太空中像船帆一样展开薄膜，以太阳 光的微小压力作为前进动力”。报道指出“Ikaros”5月同金星探测器“拂晓“号一起发 射后，转动直径1.6米，高0.8米的圆柱形机体，在离心力作用下徐徐展开薄膜帆。日本 科研人员确认“Ikaros”在距地球约770万公里的太空中顺利展开了边长14米的正方形帆， 外置于帆中心机体上的摄像头拍下这一图像并传回了地球，Ikaros的薄膜帆由可自由调节 光反射的特殊材料制成，可用于加速、减速及改变方向，在接近金星之前的约半年中将反 复进行太阳帆试验，未来将为开发深空探测器积累经验。

目前正在飞往水星旅途中的信使号探测器便利用了其太阳能电池板上所产生的光压 来进行轨道修正。通过改变太阳能电池板和太阳之间的相对角度，可以调整辐射压的大小， 这比推进器要精确得多。在引力加速机制下，很小的误差也会被放大很多倍，所以，精确 的轨道修正可以为以后节省大量的燃料。

日本发射的隼鸟号在回程时则使用太阳能电池板上产生的太阳光压当做姿势稳定控 制，用以替代无法使用的X轴和Y轴控制装置，并与离子引擎加以辅助尚能使用的Z轴 姿势控制装置。星际飞行以太阳帆直接进行星际航行一直是太阳帆研发的最终目的。

进入21世纪后，深空探测领域越发受到人类的重视。太阳帆航天器作为新型的飞行 器，不需要推进系统就可以实现飞行器的加速运动。光是由没有静态质量但有动量的光子 构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，给撞击物体以相应的作用力。太阳帆飞行器就是 通过与太阳光子之间的动量交换而获得飞行动力。而这种推进资源是无穷无尽的，推进的 持续力只依赖于太阳帆薄膜与致动器的寿命和光源的距离。在深空探测领域具有很高的研 究价值。

太阳帆有多种分类方式：根据帆面形状不同，可以分为方形帆、圆形帆和叶形帆；根 据展开方式不同，可分为自旋展开太阳帆和支撑杆型太阳帆，自旋展开太阳帆利用自旋离 心力实现帆面的展开和帆面形状的保持，而支撑杆型太阳帆则是利用支撑杆实现帆面的展 开及形状保持。为了提供航天器足够的推进力，航天器需要足够大的太阳帆帆面。由于航 天事业的特殊性，又要求航天部件必须轻量化，占用体积小。而现有的太阳帆如充气式结 构存在的结构复杂，驱动机制复杂，展开过程不稳定，驱动过程不稳定，易使结构受损以 及漏气等问题，而现有的板型折叠的太阳帆的缺点为一个大的太阳帆是由若干个小板组 成，而每一小块的小板是不可折叠的，其尺度受火箭尺度限制，所以其总面积不可能做得 超大，例如，薄膜原则上做到直径数百米，甚至数千米都可能，而板型则做不到，而板的 质量重，即使面积不很大，板的重量也是很大的，其发射成本也高得多；现有的机械式展 开支撑结构太阳帆的展开支撑结构是由刚性构件的连接机构、控制展开机构和锁紧机构连 接而成，在使用中存在结构复杂、易出故障、展开可靠性差、整体重量重、折叠效率低、 发射体积大等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的充气式结构的太阳帆存在的驱动机制复杂、展开过程 不稳定、易使结构受损以及漏气的问题和机械式展开支撑结构太阳帆的存在结构复杂、展 开可靠性差、整体重量重、折叠效率低、发射体积大的问题。

一种基于形状记忆聚合物的可控有序展开太阳帆的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、将环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰 亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物中的一种或多种作为形状记忆聚合物材 料；在形状记忆聚合物材料添加增强材料，然后将添加增强材料后的形状记忆聚合物材料 按柔性材料反光膜的形状及大小合成形状相似、大小相当的形状记忆聚合物薄膜，并在形 状记忆聚合物薄膜上覆盖电热膜；

步骤2、使柔性材料反光膜和电热膜分别位于形状记忆聚合物薄膜的两侧，将柔性材 料反光膜固定在形状记忆聚合物薄膜上，得到带有主动展开功能的基于形状记忆聚合物的 可控有序展开的太阳帆帆面；

步骤3、将电热膜通电加热至形状记忆聚合物薄膜软化，将太阳帆帆面有序的折叠， 断电后冷却，得到折叠成折叠状的太阳帆。

太阳帆的可控有序展开过程如下：

当把折叠状的太阳帆送上太空后，对折叠状太阳帆中的电热膜进行通电加热，折叠状 的太阳帆依次有序的由外层展开直至展开完全，完成可控有序展开的太阳帆的展开。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于形状记忆聚合物的可控有序展开太阳帆不需要折叠展开机构，展开 主要是靠形状记忆聚合物自身的性质，本发明的形状记忆聚合物材料质量轻，并且易折叠， 具有很大的收纳比，使得发射时的体积小；展开驱动机制简单，展开过程稳定、可靠，可 靠率达99％以上，而且太阳帆展开前、后的工作状态十分稳定，不易出现故障，且结构 不容易受损、漏气等。

本发明所述的太阳帆选用的形状记忆聚合物材料能够适应太空中各种射线空间环境； 太空中的温差极大，添加增强材料后的形状记忆聚合物材料也能适应极大的温差变化，进 一步保证了太阳帆能够正常工作。

附图说明

图1为太阳帆的膜层示意图；

图2为形状记忆聚合物薄膜多个薄膜单元的示意图；

图3为电热膜的多个电热膜单元的示意图；

图4为处于折叠状态的太阳帆示意图；

图5为太阳帆处于有序展开状态的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图4、图5说明本实施方式，

一种基于形状记忆聚合物的可控有序展开太阳帆的制作方法的制作方法，包括以下步 骤：

步骤1、将环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰 亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物中的一种或多种作为形状记忆聚合物材 料；在形状记忆聚合物材料添加增强材料，然后将添加增强材料后的形状记忆聚合物材料 按柔性材料反光膜的形状及大小合成形状相似、大小相当的形状记忆聚合物薄膜，并在形 状记忆聚合物薄膜上覆盖电热膜；

步骤2、使柔性材料反光膜和电热膜分别位于形状记忆聚合物薄膜的两侧，将柔性材 料反光膜固定在形状记忆聚合物薄膜上，得到带有主动展开功能的基于形状记忆聚合物的 可控有序展开的太阳帆帆面；

如图1所示，太阳帆帆面结构包括柔性材料反光膜1、形状记忆聚合物薄膜2、和电 热膜3；

步骤3、将电热膜通电加热至形状记忆聚合物薄膜软化，将太阳帆帆面有序的折叠， 断电后冷却，得到折叠成折叠状的太阳帆。

太阳帆的可控有序展开过程如下：

当把折叠状的太阳帆送上太空后，对折叠状太阳帆中的电热膜进行通电加热，折叠状 的太阳帆依次有序的由外层展开直至展开完全，完成可控有序展开的太阳帆的展开。

本发明所述的基于形状记忆聚合物的可控有序展开太阳帆不需要折叠展开机构，展开 主要是靠形状记忆聚合物自身的性质，本发明的形状记忆聚合物材料质量轻，并且易折叠， 具有很大的收纳比，使得发射时的体积小；展开驱动机制简单，展开过程稳定、可靠，可 靠率达99％以上，而且太阳帆展开前、后的工作状态十分稳定，不易出现故障，且结构 不容易受损、漏气等。

本发明所述的太阳帆选用的形状记忆聚合物材料能够适应太空中各种射线空间环境； 太空中的温差极大，添加增强材料后的形状记忆聚合物材料也能适应极大的温差变化，进 一步保证了太阳帆能够正常工作。

具体实施方式二：结合图2、图5说明本实施方式，

本实施方式所述形状记忆聚合物薄膜是多段的，即形状记忆聚合物薄膜包含多个薄膜 单元；形状记忆聚合物薄膜的多个薄膜单元具有不同的玻璃化转变温度，在相同的加热条 件下，先达到玻璃化转变温度的先展开，实现太阳帆有序展开。

其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3、图5说明本实施方式，

本实施方式所述电热膜包含多个电热膜单元，依次对折叠状的多个电热膜单元进行有 序的通电加热，使不同段处的或者不同单元处的形状记忆聚合物薄膜先后达到玻璃化转变 温度，实现太阳帆有序展开。

其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述电热膜的不同部位功率不同，对折叠状的电热膜进行通电加热，功率 高的部位先展开，使该处的形状记忆聚合物薄膜率先达到玻璃化转变温度，实现太阳帆有 序展开。

其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述形状记忆聚合物薄膜呈网面状结构或固面结构(薄膜表面没有孔洞或 者缝隙，呈一个整体的平面结构)。

其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述增强材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳 化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管和镍粉中的一种或多种。

其它步骤和参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：

本实施方式所述增强材料的含量为5％—50％。

其它步骤和参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：

本实施方式所述太阳帆的帆面大小根据以下方法控制：

根据需要确定太阳帆的帆面的大小，在添加增强材料的形状记忆聚合物材料合成形状 记忆聚合物薄膜时，通过调节薄膜的厚度和增强材料的含量来改变形状记忆聚合物薄膜时 的刚度，当形状记忆聚合物薄膜的刚度能够达到要求，太阳帆的帆面的大小能够控制到需 要的大小。

其它步骤和参数与具体实施方式七相同。

对于太阳帆的折叠形状，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实 质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的 改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。