新型空间充气展开结构在轨试验成功：北京空间机电研究所携手高校优势互补实现科研实力“1+1>2”

近日，搭载在我国新技术试验－1卫星上的充气式重力梯度杆成功完成了在轨充气展开和成像试验，这是我国首次在轨开展的空间充气展开结构技术试验，标志着我国充气展开空间结构具备了初步工程化的能力。其中重力梯度杆的重要组成部分-充气伸展臂是一种新型空间充气展开结构，由北京空间机电研究所（以下简称机电所）与哈尔滨工业大学（以下简称哈工大）共同开发、联合研制，使我国在该领域的研制能力达到国际同类技术水平，该项目也成为了企校“产、学、研”合作模式的成功典范。

1 瞄准前沿方向 航天与高校结“良缘”

充气伸展臂是一种以柔性复合材料构建的新型空间结构，可折叠包装发射，入轨后通过充气驱动展开，并进一步进行结构刚化，形成空间结构。研制人员介绍说，充气结构其实在生活中很常见，大到商场门前的充气拱形门、大型充气玩偶，小到游泳圈，都是人们司空见惯的，但是由于环境等工程制约因素，要在太空上实现应用就要复杂得多。与传统空间结构相比，充气展开结构具有折叠包装效率高、发射体积小、质量轻、发射费用低、充气展开方式容易实施、研制和生产成本低、可靠性高等优势，而且材料和结构具有良好的可设计性和空间环境适应性。国际上，空间充气展开结构的应用始于1960年，一只直径30m的气球卫星成功完成了图片传输任务，从而证明了空间充气展开结构的可行性和实用性。

2010年6月，机电所申请的“充气式重力梯度杆”被确定成为新技术验证-1卫星上搭载的产品，这是该新技术验证卫星的“主角”之一。

鉴于“充气式重力梯度杆”项目的要求，机电所与哈工大发挥各自的技术优势和技术积累开展合作，共同促进充气项目的顺利实施。促成双方合作的另一个原因是，哈工大与航天科技集团的合作由来已久，同机电所也不是第一次合作。2010年机电所与哈工大实力雄厚的航天学院签署了战略合作协议。2010年到2011年两年间，机电所与哈工大通过产学研合作的方式攻克了大口径碳化硅反射镜镜坯制备技术，目前多种类型的碳化硅反射镜已经成功应用到机电所主流遥感型号上，并取得了良好的效果。仅2012年一年，机电所与哈工大就高精度二维转台研制、大型真空调试平台研制、中继光学系统加工等8个项目进行了合作。后来双方在充气伸展臂项目上的顺畅合作也有力地证明了选择的正确。

2 众人拾柴火焰高 小项目带来大收获

根据各自的优势，合作双方对各阶段的任务进行了安排--方案阶段的理论技术工作由哈工大负责走通，从纸面到实物的工程化由机电所负责。这种传统的产学研合作模式让分工看起来泾渭分明，像接力棒在不同选手之间传递一样，但在实际研制工作中，由于前期哈工大对充气伸展臂地面样机所做的模拟试验主要是在地面环境下开展的，而要实现在轨试验必须按照航天产品的要求开展规定的系列试验与验证。在哈工大的全力配合下，机电所与哈工大一道实现了充气伸展臂产品的工程化研制要求，通过了微重力、高低温、真空等空间条件的复杂考验。

由柔性材料制成的充气伸展臂长3m，充气前折叠包装成蜷曲状，但这种结构难以承受火箭升空过程中力学环境的考验。经过对多个方案进行分析、比较和试验，机电所最终采用铝制蜂窝设计出了填充块辅助包装，有效解决了柔性材料经过振动可能出现的松散问题，确保了充气伸展臂的可靠包装。这种方法也为空间充气柔性展开结构的包装提出了一种解决思路，机电所为此申报了相关的专利。

还有一道让人记忆犹新的“坎”，这道“坎”耗费了技术人员近半年的时间—管臂在充气展开后需要一些硬度材料辅助支撑，研制人员称呼这种装置为“增强条”。哈工大在前期选择的是在管臂内部放置一条钢卷尺，展平的钢卷尺有一定硬度，可以为充气结构提供一定的支撑。但金属材料会影响航天器的磁场，因此“剩磁”是航天产品研制中的一项重要指标，那么就要选择一种磁指标合适的增强条。机电所和哈工大共同分析和研究，同时开展多个备选方案的研制和试验工作。经过大量的试验验证发现，由复合材料研制而成的纤维弹性片可以满足“苛刻”的航天标准，被确定为最终方案。哈工大为方案申请了专利。

在研制过程中，机电所还凭借丰富的工程经验确定了充气伸展臂在空间展开的速度、气密性等关键技术要求，攻克了柔性材料包装与抗振设计、空间充气结构小漏率粘结工艺技术等一系列技术难题。一个不太起眼的充气伸展臂项目完成后，双方目前已经申请了5项专利。该项目的技术负责人王伟志说：“这些是在工程研制过程中‘催生’的专利，依据理论基础、开展了大量的实验验证，也经历了在轨考核，充分发挥了技术专利应有的功能，也保护了我们技术团队辛勤研究的技术成果。” 由于这些专利开发过程中投资少、周期短、见效快、效益明显，他用了排球运动中的术语“短平快”来形容这次工程研制项目副产品—专利的开发和申报。

3 看准应用前景 合作实现双赢

难能可贵的是，在研制过程中，机电所与哈工大都看准了充气展开结构未来广阔的应用前景，自主投入资金开展项目研制。为了推动这项技术尽快通过空间验证，机电所与哈工大发挥各自核心技术强项，采用优势互补的策略，联手研制共同开发，在较短的时间内将各自的资源融合在一起形成实实在在的科研能力，最终得到了1+1＞2的共赢博弈，并共享技术果实。2012年11月19日新技术验证卫星顺利发射升空后，双方仍保持着友好的技术往来。

此次在轨验证成功只是第一步，充气展开机构在航天器上的应用还大有可为。王伟志介绍说，充气伸展臂就好比是一块“砖头”，将来盖成什么的“房子”，由航天器的具体应用决定，比如擎着一台相机的勇气号火星探测器，那只“手臂”就可以使用充气伸展臂来实现。在可预见的未来，由于简易、经济、便于运输，充气展开机构在遥感相机、深空天线、地球辐射计、雷达、聚焦器、空间望远镜、太阳防护罩、太阳电池阵以及航天器吊杆等方面具有广泛的应用前景。