新型空間充氣展開結(jié)構(gòu)在軌試驗成功：北京空間機電研究所攜手高校優(yōu)勢互補實現(xiàn)科研實力“1+1>2”

近日，搭載在我國新技術(shù)試驗－1衛(wèi)星上的充氣式重力梯度桿成功完成了在軌充氣展開和成像試驗，這是我國首次在軌開展的空間充氣展開結(jié)構(gòu)技術(shù)試驗，標(biāo)志著我國充氣展開空間結(jié)構(gòu)具備了初步工程化的能力。其中重力梯度桿的重要組成部分-充氣伸展臂是一種新型空間充氣展開結(jié)構(gòu)，由北京空間機電研究所（以下簡稱機電所）與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（以下簡稱哈工大）共同開發(fā)、聯(lián)合研制，使我國在該領(lǐng)域的研制能力達到國際同類技術(shù)水平，該項目也成為了企?！爱a(chǎn)、學(xué)、研”合作模式的成功典范。

1 瞄準(zhǔn)前沿方向 航天與高校結(jié)“良緣”

充氣伸展臂是一種以柔性復(fù)合材料構(gòu)建的新型空間結(jié)構(gòu)，可折疊包裝發(fā)射，入軌后通過充氣驅(qū)動展開，并進一步進行結(jié)構(gòu)剛化，形成空間結(jié)構(gòu)。研制人員介紹說，充氣結(jié)構(gòu)其實在生活中很常見，大到商場門前的充氣拱形門、大型充氣玩偶，小到游泳圈，都是人們司空見慣的，但是由于環(huán)境等工程制約因素，要在太空上實現(xiàn)應(yīng)用就要復(fù)雜得多。與傳統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)相比，充氣展開結(jié)構(gòu)具有折疊包裝效率高、發(fā)射體積小、質(zhì)量輕、發(fā)射費用低、充氣展開方式容易實施、研制和生產(chǎn)成本低、可靠性高等優(yōu)勢，而且材料和結(jié)構(gòu)具有良好的可設(shè)計性和空間環(huán)境適應(yīng)性。國際上，空間充氣展開結(jié)構(gòu)的應(yīng)用始于1960年，一只直徑30m的氣球衛(wèi)星成功完成了圖片傳輸任務(wù)，從而證明了空間充氣展開結(jié)構(gòu)的可行性和實用性。

2010年6月，機電所申請的“充氣式重力梯度桿”被確定成為新技術(shù)驗證-1衛(wèi)星上搭載的產(chǎn)品，這是該新技術(shù)驗證衛(wèi)星的“主角”之一。

鑒于“充氣式重力梯度桿”項目的要求，機電所與哈工大發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)積累開展合作，共同促進充氣項目的順利實施。促成雙方合作的另一個原因是，哈工大與航天科技集團的合作由來已久，同機電所也不是第一次合作。2010年機電所與哈工大實力雄厚的航天學(xué)院簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。2010年到2011年兩年間，機電所與哈工大通過產(chǎn)學(xué)研合作的方式攻克了大口徑碳化硅反射鏡鏡坯制備技術(shù)，目前多種類型的碳化硅反射鏡已經(jīng)成功應(yīng)用到機電所主流遙感型號上，并取得了良好的效果。僅2012年一年，機電所與哈工大就高精度二維轉(zhuǎn)臺研制、大型真空調(diào)試平臺研制、中繼光學(xué)系統(tǒng)加工等8個項目進行了合作。后來雙方在充氣伸展臂項目上的順暢合作也有力地證明了選擇的正確。

2 眾人拾柴火焰高 小項目帶來大收獲

根據(jù)各自的優(yōu)勢，合作雙方對各階段的任務(wù)進行了安排--方案階段的理論技術(shù)工作由哈工大負責(zé)走通，從紙面到實物的工程化由機電所負責(zé)。這種傳統(tǒng)的產(chǎn)學(xué)研合作模式讓分工看起來涇渭分明，像接力棒在不同選手之間傳遞一樣，但在實際研制工作中，由于前期哈工大對充氣伸展臂地面樣機所做的模擬試驗主要是在地面環(huán)境下開展的，而要實現(xiàn)在軌試驗必須按照航天產(chǎn)品的要求開展規(guī)定的系列試驗與驗證。在哈工大的全力配合下，機電所與哈工大一道實現(xiàn)了充氣伸展臂產(chǎn)品的工程化研制要求，通過了微重力、高低溫、真空等空間條件的復(fù)雜考驗。

由柔性材料制成的充氣伸展臂長3m，充氣前折疊包裝成蜷曲狀，但這種結(jié)構(gòu)難以承受火箭升空過程中力學(xué)環(huán)境的考驗。經(jīng)過對多個方案進行分析、比較和試驗，機電所最終采用鋁制蜂窩設(shè)計出了填充塊輔助包裝，有效解決了柔性材料經(jīng)過振動可能出現(xiàn)的松散問題，確保了充氣伸展臂的可靠包裝。這種方法也為空間充氣柔性展開結(jié)構(gòu)的包裝提出了一種解決思路，機電所為此申報了相關(guān)的專利。

還有一道讓人記憶猶新的“坎”，這道“坎”耗費了技術(shù)人員近半年的時間—管臂在充氣展開后需要一些硬度材料輔助支撐，研制人員稱呼這種裝置為“增強條”。哈工大在前期選擇的是在管臂內(nèi)部放置一條鋼卷尺，展平的鋼卷尺有一定硬度，可以為充氣結(jié)構(gòu)提供一定的支撐。但金屬材料會影響航天器的磁場，因此“剩磁”是航天產(chǎn)品研制中的一項重要指標(biāo)，那么就要選擇一種磁指標(biāo)合適的增強條。機電所和哈工大共同分析和研究，同時開展多個備選方案的研制和試驗工作。經(jīng)過大量的試驗驗證發(fā)現(xiàn)，由復(fù)合材料研制而成的纖維彈性片可以滿足“苛刻”的航天標(biāo)準(zhǔn)，被確定為最終方案。哈工大為方案申請了專利。

在研制過程中，機電所還憑借豐富的工程經(jīng)驗確定了充氣伸展臂在空間展開的速度、氣密性等關(guān)鍵技術(shù)要求，攻克了柔性材料包裝與抗振設(shè)計、空間充氣結(jié)構(gòu)小漏率粘結(jié)工藝技術(shù)等一系列技術(shù)難題。一個不太起眼的充氣伸展臂項目完成后，雙方目前已經(jīng)申請了5項專利。該項目的技術(shù)負責(zé)人王偉志說：“這些是在工程研制過程中‘催生’的專利，依據(jù)理論基礎(chǔ)、開展了大量的實驗驗證，也經(jīng)歷了在軌考核，充分發(fā)揮了技術(shù)專利應(yīng)有的功能，也保護了我們技術(shù)團隊辛勤研究的技術(shù)成果?！?由于這些專利開發(fā)過程中投資少、周期短、見效快、效益明顯，他用了排球運動中的術(shù)語“短平快”來形容這次工程研制項目副產(chǎn)品—專利的開發(fā)和申報。

3 看準(zhǔn)應(yīng)用前景 合作實現(xiàn)雙贏

難能可貴的是，在研制過程中，機電所與哈工大都看準(zhǔn)了充氣展開結(jié)構(gòu)未來廣闊的應(yīng)用前景，自主投入資金開展項目研制。為了推動這項技術(shù)盡快通過空間驗證，機電所與哈工大發(fā)揮各自核心技術(shù)強項，采用優(yōu)勢互補的策略，聯(lián)手研制共同開發(fā)，在較短的時間內(nèi)將各自的資源融合在一起形成實實在在的科研能力，最終得到了1+1＞2的共贏博弈，并共享技術(shù)果實。2012年11月19日新技術(shù)驗證衛(wèi)星順利發(fā)射升空后，雙方仍保持著友好的技術(shù)往來。

此次在軌驗證成功只是第一步，充氣展開機構(gòu)在航天器上的應(yīng)用還大有可為。王偉志介紹說，充氣伸展臂就好比是一塊“磚頭”，將來蓋成什么的“房子”，由航天器的具體應(yīng)用決定，比如擎著一臺相機的勇氣號火星探測器，那只“手臂”就可以使用充氣伸展臂來實現(xiàn)。在可預(yù)見的未來，由于簡易、經(jīng)濟、便于運輸，充氣展開機構(gòu)在遙感相機、深空天線、地球輻射計、雷達、聚焦器、空間望遠鏡、太陽防護罩、太陽電池陣以及航天器吊桿等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。