一種基于形狀記憶聚合物的可控有序展開太陽帆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽帆的制作方法，具體涉及一種用于宇宙飛船的太陽帆的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]著名天文學(xué)家開普勒早在400年前就曾設(shè)想過不攜帶任何能源，僅依靠太陽光的能量使飛船馳騁太空的可能性。并且計算出太陽光可為宇宙飛船提供的具體推力。1924年，俄國航天事業(yè)的先驅(qū)齊奧爾科夫斯基和其同事燦德爾明確提出“用照射到很薄的巨大反射鏡上的太陽光所產(chǎn)生的推力獲得宇宙速度”。燦德爾首先提出了太陽帆一一這種包在硬質(zhì)塑料上的超薄金屬帆的設(shè)想，成為今天建造太陽帆的基礎(chǔ)。
[0003]2005年6月22日，俄羅斯用“波浪”火箭發(fā)射了以太陽光為動力的“宇宙一號(Cosmos-Ι)”飛船，進行太陽帆的首次受控飛行嘗試。在發(fā)射約20分鐘后，飛船與地面失去了聯(lián)系。升空的飛船由8片三角形聚酯薄膜帆板組成，耗資400萬美元。
[0004]2010年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)稱，已確認(rèn)“Ikaros”太陽帆飛船的太陽帆成功展開，并公開了飛船上攝像頭拍下的圖像“該飛船在太空中像船帆一樣展開薄膜，以太陽光的微小壓力作為前進動力”。報道指出“Ikaros”5月同金星探測器“拂曉“號一起發(fā)射后，轉(zhuǎn)動直徑1.6米，高0.8米的圓柱形機體，在離心力作用下徐徐展開薄膜帆。日本科研人員確認(rèn)“Ikaros”在距地球約770萬公里的太空中順利展開了邊長14米的正方形帆，外置于帆中心機體上的攝像頭拍下這一圖像并傳回了地球，Ikaros的薄膜帆由可自由調(diào)節(jié)光反射的特殊材料制成，可用于加速、減速及改變方向，在接近金星之前的約半年中將反復(fù)進行太陽帆試驗，未來將為開發(fā)深空探測器積累經(jīng)驗。
[0005]目前正在飛往水星旅途中的信使號探測器便利用了其太陽能電池板上所產(chǎn)生的光壓來進行軌道修正。通過改變太陽能電池板和太陽之間的相對角度，可以調(diào)整輻射壓的大小，這比推進器要精確得多。在引力加速機制下，很小的誤差也會被放大很多倍，所以，精確的軌道修正可以為以后節(jié)省大量的燃料。
[0006]日本發(fā)射的隼鳥號在回程時則使用太陽能電池板上產(chǎn)生的太陽光壓當(dāng)做姿勢穩(wěn)定控制，用以替代無法使用的X軸和Y軸控制裝置，并與離子引擎加以輔助尚能使用的Z軸姿勢控制裝置。星際飛行以太陽帆直接進行星際航行一直是太陽帆研發(fā)的最終目的。
[0007]進入21世紀(jì)后，深空探測領(lǐng)域越發(fā)受到人類的重視。太陽帆航天器作為新型的飛行器，不需要推進系統(tǒng)就可以實現(xiàn)飛行器的加速運動。光是由沒有靜態(tài)質(zhì)量但有動量的光子構(gòu)成的，當(dāng)光子撞擊到光滑的平面上時，給撞擊物體以相應(yīng)的作用力。太陽帆飛行器就是通過與太陽光子之間的動量交換而獲得飛行動力。而這種推進資源是無窮無盡的，推進的持續(xù)力只依賴于太陽帆薄膜與致動器的壽命和光源的距離。在深空探測領(lǐng)域具有很高的研究價值。
[0008]太陽帆有多種分類方式:根據(jù)帆面形狀不同，可以分為方形帆、圓形帆和葉形帆；根據(jù)展開方式不同，可分為自旋展開太陽帆和支撐桿型太陽帆，自旋展開太陽帆利用自旋離心力實現(xiàn)帆面的展開和帆面形狀的保持，而支撐桿型太陽帆則是利用支撐桿實現(xiàn)帆面的展開及形狀保持。為了提供航天器足夠的推進力，航天器需要足夠大的太陽帆帆面。由于航天事業(yè)的特殊性，又要求航天部件必須輕量化，占用體積小。而現(xiàn)有的太陽帆如充氣式結(jié)構(gòu)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，驅(qū)動機制復(fù)雜，展開過程不穩(wěn)定，驅(qū)動過程不穩(wěn)定，易使結(jié)構(gòu)受損以及漏氣等問題，而現(xiàn)有的板型折疊的太陽帆的缺點為一個大的太陽帆是由若干個小板組成，而每一小塊的小板是不可折疊的，其尺度受火箭尺度限制，所以其總面積不可能做得超大，例如，薄膜原則上做到直徑數(shù)百米，甚至數(shù)千米都可能，而板型則做不到，而板的質(zhì)量重，即使面積不很大，板的重量也是很大的，其發(fā)射成本也高得多;現(xiàn)有的機械式展開支撐結(jié)構(gòu)太陽帆的展開支撐結(jié)構(gòu)是由剛性構(gòu)件的連接機構(gòu)、控制展開機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)連接而成，在使用中存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易出故障、展開可靠性差、整體重量重、折疊效率低、發(fā)射體積大等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的充氣式結(jié)構(gòu)的太陽帆存在的驅(qū)動機制復(fù)雜、展開過程不穩(wěn)定、易使結(jié)構(gòu)受損以及漏氣的問題和機械式展開支撐結(jié)構(gòu)太陽帆的存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、展開可靠性差、整體重量重、折疊效率低、發(fā)射體積大的問題。
[0010]—種基于形狀記憶聚合物的可控有序展開太陽帆的制作方法，包括以下步驟:
[0011 ]步驟1、將環(huán)氧類的熱塑性形狀記憶聚合物、環(huán)氧類的熱固性形狀記憶聚合物、聚酰亞胺形狀記憶聚合物、氰酸酯類形狀記憶聚合物中的一種或多種作為形狀記憶聚合物材料;在形狀記憶聚合物材料添加增強材料，然后將添加增強材料后的形狀記憶聚合物材料按柔性材料反光膜的形狀及大小合成形狀相似、大小相當(dāng)?shù)男螤钣洃浘酆衔锉∧?，并在形狀記憶聚合物薄膜上覆蓋電熱膜；
[0012]步驟2、使柔性材料反光膜和電熱膜分別位于形狀記憶聚合物薄膜的兩側(cè)，將柔性材料反光膜固定在形狀記憶聚合物薄膜上，得到帶有主動展開功能的基于形狀記憶聚合物的可控有序展開的太陽帆帆面；
[0013]步驟3、將電熱膜通電加熱至形狀記憶聚合物薄膜軟化，將太陽帆帆面有序的折疊，斷電后冷卻，得到折疊成折疊狀的太陽帆。
[0014]太陽帆的可控有序展開過程如下:
[0015]當(dāng)把折疊狀的太陽帆送上太空后，對折疊狀太陽帆中的電熱膜進行通電加熱，折疊狀的太陽帆依次有序的由外層展開直至展開完全，完成可控有序展開的太陽帆的展開。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]本發(fā)明所述的基于形狀記憶聚合物的可控有序展開太陽帆不需要折疊展開機構(gòu)，展開主要是靠形狀記憶聚合物自身的性質(zhì)，本發(fā)明的形狀記憶聚合物材料質(zhì)量輕，并且易折疊，具有很大的收納比，使得發(fā)射時的體積小；展開驅(qū)動機制簡單，展開過程穩(wěn)定、可靠，可靠率達99%以上，而且太陽帆展開前、后的工作狀態(tài)十分穩(wěn)定，不易出現(xiàn)故障，且結(jié)構(gòu)不容易受損、漏氣等。
[0018]本發(fā)明所述的太陽帆選用的形狀記憶聚合物材料能夠適應(yīng)太空中各種射線空間環(huán)境;太空中的溫差極大，添加增強材料后的形狀記憶聚合物材料也能適應(yīng)極大的溫差變化，進一步保證了太陽帆能夠正常工作。
【附圖說明】
[0019]圖1為太陽帆的膜層示意圖；
[0020]圖2為形狀記憶聚合物薄膜多個薄膜單元的示意圖；
[0021]圖3為電熱膜的多個電熱膜單元的示意圖；
[0022]圖4為處于折疊狀態(tài)的太陽帆示意圖；
[0023]圖5為太陽帆處于有序展開狀態(tài)的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1、圖4、圖5說明本實施方式，
[0025]—種基于形狀記憶聚合物的可控有序展開太陽帆的制作方法，包括以下步驟:
[0026]步驟1、將環(huán)氧類的熱塑性形狀記憶聚合物、環(huán)氧類的熱固性形狀記憶聚合物、聚酰亞胺形狀記憶聚合物、氰酸酯類形狀記憶聚合物中的一種或多種作為形狀記憶聚合物材料;在形狀記憶聚合物材料添加增強材料，然后將添加增強材料后的形狀記憶聚合物材料按柔性材料反光膜的形狀及大小合成形狀相似、大小相當(dāng)?shù)男螤钣洃浘酆衔锉∧?，并在形狀記憶聚合物薄膜上覆蓋電熱膜；
[0027]步驟2、使柔性材料反光膜和電熱膜分別位于形狀記憶聚合物薄膜的兩側(cè)，將柔性材料反光膜固定在形狀記憶聚合物薄膜上，得到帶有主動展開功能的基于形狀記憶聚合物的可控有序展開的太陽帆帆面；
[0028]如圖1所示，太陽帆帆面結(jié)構(gòu)包括柔性材料反光膜1、形狀記憶聚合物薄膜2、和電熱膜3;
[0029]步驟3、將電熱膜通電加熱至形狀記憶聚合物薄膜