2021 哈工大见 | 献礼建党百年！哈工大科研团队实现中国国旗首次在火星展开

6月11日，国家航天局举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。这首批科学影像图的发布，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。

在“中国印迹”和“着巡合影”两张影像图中，鲜红方正的中国国旗清晰可见。我校航天学院冷劲松教授团队自主设计并研制的中国国旗锁紧展开机构，历经202天地火转移轨道飞行和93天环绕探测，飞行4.75亿公里后，于2021年5月15日在天问一号着陆器上成功完成了中国国旗可控动态展开，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。

航天学院复合材料与结构研究所于上世纪90年代初，在杜善义院士的指导和支持下，在国内较早地确立了智能材料与结构的研究方向。在“理工结合，服务航天”发展理念的指导下，冷劲松教授团队在智能结构力学、设计及其航天航空应用等研究领域深耕细作、集智创新。

该团队在国内率先研发了具有独立自主知识产权的环氧基、氰酸酯基、聚酰亚胺基等系列形状记忆聚合物材料(Shape Memory Polymer，SMP)，玻璃化转变温度可调（37℃-322℃），满足空间极端恶劣环境下的使用要求。与形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）不同，形状记忆聚合物是一种激励响应聚合物材料（图1），具有以下优势：

主动可控大变形，变形过程几乎无冲击

驱动方式多样

刚度变化范围大

可大尺寸成型

图1 形状记忆聚合物材料制成的花朵绽放过程

根据天问一号火星探测任务的总体任务需求，在中国空间技术研究院支持下，团队基于具有独立自主知识产权的形状记忆聚合物复合材料，通过精细的力学理论分析和巧妙的智能结构设计，成功研制出中国国旗锁紧展开机构。

图2 天问一号任务着陆巡视器及

中国国旗锁紧展开机构安装位置（红框处）

天问一号从发射入轨到着陆火星历经9个多月时间，探测风险高、难度大，国旗锁紧展开机构面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火星风等挑战，同时存在着陆环境不确定、地面无法干预等难点，对产品的可靠性提出了严苛的要求。通过在模拟火星环境下的力学、热真空、热循环和锁紧展开功能等多次反复迭代的极端环境试验验证，该团队为着陆平台创新设计制备了卷绕锁定-展开模式的国旗锁紧展开机构，国旗展开过程与中国传统书画的展开方式类似，解决了低温、辐照等极端恶劣使役环境下，长时间锁定、低冲击可靠展开的关键技术难题。

图3 中国国旗锁紧展开机构释放国旗展开

在着陆火星前，国旗锁紧展开机构处于卷绕收纳状态，通过形状记忆聚合物复合材料结构实现长时间锁定。着陆火星后通过加热形状记忆复合材料实现超低冲击解锁和可控展开，释放并展开五星红旗（由兰州空间技术物理研究所研制）。展开后，形状记忆聚合物复合材料的刚度回复到与常规复合材料相当的水平，提供高刚度承载功能。与贴装、折叠收纳展开等携带国旗方式相比，自主设计并研制的国旗锁紧展开机构的质量轻、收纳比高，可适用于较大尺寸国旗。与展开瞬态冲击高达10000g以上的基于火工品的展开结构相比，国旗锁紧展开机构几乎无冲击。

图4中国国旗锁紧展开机构释放国旗展开

左图为锁紧状态，右图为展开状态

团队研制的国旗锁紧展开机构首次在火星上实现中国国旗的可控动态展开，展开后的五星红旗在火星风的沐浴下迎风飘扬，为中国探测器在火星上打上“中国标识”，为建党100周年献礼（图5）。

图5中国国旗锁紧展开机构在火星上

展开五星红旗（红框处）

这是继2016年、2020年哈工大科研团队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及其柔性太阳能电池系统在轨成功验证之后，在国际上首次实现形状记忆聚合物智能结构在火星探测工程中应用，标志着我国在智能材料及其在航天器结构的应用领域处于国际前列。

未来，基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构等相关技术有望应用于我国空间站、探月工程、载人登月、火星探测、木星探测、小行星探测、冰巨星探测、深空探测等重大航天工程，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。

来源| 央视新闻复合材料与结构研究所 学校官微