近日，搭載在我國新技術(shù)試驗(yàn)－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(yàn)，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(yàn)，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(jī)電研究所（以下簡稱機(jī)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(dá)到國際同類技術(shù)水平，該項(xiàng)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(dòng)展開，并進(jìn)一步進(jìn)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(shí)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(shí)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(fèi)用低、充氣展開方式容易實(shí)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(jì)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(shí)用性。

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

鑒于“充氣式重力梯度桿”項(xiàng)目的要求，機(jī)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(jìn)充氣項(xiàng)目的順利實(shí)施。促成雙方合作的另一個(gè)原因是，哈工大與航天科技集團(tuán)的合作由來已久，同機(jī)電所也不是第一次合作。2010年機(jī)電所與哈工大實(shí)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(jī)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(jī)電所主流遙感型號(hào)上，并取得了良好的效果。僅2012年一年，機(jī)電所與哈工大就高精度二維轉(zhuǎn)臺(tái)研制、大型真空調(diào)試平臺(tái)研制、中繼光學(xué)系統(tǒng)加工等8個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了合作。后來雙方在充氣伸展臂項(xiàng)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(xiàng)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(jìn)行了安排--方案階段的理論技術(shù)工作由哈工大負(fù)責(zé)走通，從紙面到實(shí)物的工程化由機(jī)電所負(fù)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(shí)際研制工作中，由于前期哈工大對充氣伸展臂地面樣機(jī)所做的模擬試驗(yàn)主要是在地面環(huán)境下開展的，而要實(shí)現(xiàn)在軌試驗(yàn)必須按照航天產(chǎn)品的要求開展規(guī)定的系列試驗(yàn)與驗(yàn)證。在哈工大的全力配合下，機(jī)電所與哈工大一道實(shí)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(yàn)。

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(yàn)。經(jīng)過對多個(gè)方案進(jìn)行分析、比較和試驗(yàn)，機(jī)電所最終采用鋁制蜂窩設(shè)計(jì)出了填充塊輔助包裝，有效解決了柔性材料經(jīng)過振動(dòng)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(jī)電所為此申報(bào)了相關(guān)的專利。

還有一道讓人記憶猶新的“坎”，這道“坎”耗費(fèi)了技術(shù)人員近半年的時(shí)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(qiáng)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(huì)影響航天器的磁場，因此“剩磁”是航天產(chǎn)品研制中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，那么就要選擇一種磁指標(biāo)合適的增強(qiáng)條。機(jī)電所和哈工大共同分析和研究，同時(shí)開展多個(gè)備選方案的研制和試驗(yàn)工作。經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)電所還憑借豐富的工程經(jīng)驗(yàn)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(jì)、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(gè)不太起眼的充氣伸展臂項(xiàng)目完成后，雙方目前已經(jīng)申請了5項(xiàng)專利。該項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hù)了我們技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(yùn)動(dòng)中的術(shù)語“短平快”來形容這次工程研制項(xiàng)目副產(chǎn)品—專利的開發(fā)和申報(bào)。

3 看準(zhǔn)應(yīng)用前景 合作實(shí)現(xiàn)雙贏

難能可貴的是，在研制過程中，機(jī)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(xiàng)目研制。為了推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)盡快通過空間驗(yàn)證，機(jī)電所與哈工大發(fā)揮各自核心技術(shù)強(qiáng)項(xiàng)，采用優(yōu)勢互補(bǔ)的策略，聯(lián)手研制共同開發(fā)，在較短的時(shí)間內(nèi)將各自的資源融合在一起形成實(shí)實(shí)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(shí)。2012年11月19日新技術(shù)驗(yàn)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(yàn)證成功只是第一步，充氣展開機(jī)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(tái)相機(jī)的勇氣號(hào)火星探測器，那只“手臂”就可以使用充氣伸展臂來實(shí)現(xiàn)。在可預(yù)見的未來，由于簡易、經(jīng)濟(jì)、便于運(yùn)輸，充氣展開機(jī)構(gòu)在遙感相機(jī)、深空天線、地球輻射計(jì)、雷達(dá)、聚焦器、空間望遠(yuǎn)鏡、太陽防護(hù)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。