一、导读

空间折展机构是利用结构形变机制设计制造的能够从收拢状态运动展开到预定或期望构型的构件系统，具有收纳比高、展开可控性强等优势，可有效解决运载火箭对航空航天飞行器体积的限制，广泛应用于空间伸展臂、空间可展开天线、太阳能电池板或柔性太阳翼等多种空天折展结构部件系统。智能材料与结构技术的开发和应用，以及先进制造技术的突破，为新型空间折展机构的设计制造加入了新的自由度，并发展出多种轻量化、智能化空间折展机构，展现出良好的发展态势。

2023年12月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在中科院一区TOP期刊《Materials & Design》发表了题为：“Space deployable mechanics: A review of structures and smart driving”的综述论文。论文概述了空间折展机构在可形变构型设计和智能驱动控制方面的研究进展，对比分析了不同折展结构的形变机制和驱动控制原理，总结归纳出了空间折展结构及其智能驱动控制的发展趋势。文章第一作者为王冰教授，第二作者为2021级硕士研究生朱俊丞，共同通讯作者为王冰教授、钟舜聪教授和关成龙博士。

二、内容简介

2.1 空间折展结构技术

随着大型空间站技术和微纳卫星制造的快速发展，空间折展结构技术已发展出多种形变机制和构型设计原理，满足不同空间任务的实际需求。空间折展结构根据其形变原理和构型特征，主要分为三类：机械式折展结构；弹性变形式折展结构；充气膨胀式折展结构。图1总结概括了三种空间折展结构的形变机制、运动特点、典型构型及其应用案例。

图1.空间折展结构总览

2.2 智能驱动控制技术

智能驱动是利用智能材料和结构，对外部环境变化的响应来驱动结构发生变形，是实现空间折展结构的智能化驱动控制的新兴技术。智能驱动方法的应用可进一步降低空间折展结构的重量和设计复杂度。智能材料在航空航天领域的应用主要包括三类：压电材料；形状记忆合金；形状记忆聚合物及其复合材料。图2至图4分别展示了三种智能材料及其在空间折展结构中的实际应用。

图2.基于压电材料的智能空间折展结构及其应用: (a) 一种基于微型纤维复合材料的压电驱动器; (b) 压电驱动器在充气膨胀式结构中的应用; (c) 压电驱动器在张拉整体结构中的应用。

图3.基于形状记忆合金 (SMA) 的智能空间折展结构及其应用: (a) 形状记忆合金的形状记忆效应原理; (b) 一种由SMA驱动的柔性太阳能电池板; (c) 一种基于SMA的线性驱动器。

图4.基于形状记忆聚合物 (SMP) 及其复合材料 (SMPC) 的智能空间折展结构及其应用: (a) SMP的形状记忆效应原理; (b) 一种由两个SMPC驱动的智能形变铰链结构; (c) 一种基于SMPC驱动的智能展开铰链结构; (d) 一种基于SMPC驱动的伸缩杆; (e) 一种基于SMPC驱动的柔性太阳能电池板。

2.3 现有空间折展结构及其驱动对比

自20世纪60年代以来，空间折展结构技术得到了快速的发展和长足的进步。表1归类总结并对比分析了现有空间折展结构技术的优缺点。表2归类总结并对比分析了现有空间折展结构的驱动控制方法及其特点。

三、结论与展望

随着航空航天技术的快速发展，对新型空间折展形变机制的需求日益增加，现有的折展结构设计制造、驱动控制和发射部署等方式已不能满足实际应用需求。空间折展结构向着高度集成的大型空间折展结构技术（为空间站等大型航天器提供充足的能量），和高度灵活、可持续的微纳卫星折展结构技术方向发展。这些需要进一步开发先进材料和结构技术，使其变得更轻、更强、更简单、更智能，以灵活适应不同的太空发射任务需求。它们依赖于新型可靠功能材料、精密加工和制造技术、新型折展形变机制、基于人工智能的鲁棒设计以及集成数据处理和展开驱动控制技术方面的多学科突破。未来空间折展结构技术也将向着模块化、智能化和精密化的方向稳步前进，多学科交叉融合正引领空间折展结构及其智能驱动控制技术的新突破。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112557