研究人员已经制造出一个20克重的、可与柔性电子设备集成的自展开伸杆，供立方体卫星使用。该伸杆由薄型碳纤维复合材料制成，配有传感器和发光二极管，可以承受太空恶劣的环境，并有助于监测和可视化展开过程。

轻量化设计对于空间结构至关重要，尤其是对于紧凑型轻质卫星上使用的工具而言。多功能性是一个额外的优势。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员以新颖的方式解决了这些需求，他们成功地将柔性电子设备与自重仅20克的三层自展开伸缩杆结合在一起。

“很难将这些商用电子设备集成到这些超薄结构中，”伊利诺伊大学格雷厄姆工程学院航空航天学教授辛宁说道。“在制造能够耐受太空恶劣环境的电子设备的过程中，有很多工程限制增加了这项挑战的难度。”

合作激发创新

宁说，大约在两年前的一次会议上，他开始萌生了创作这件作品的想法。他向大家展示了自己在制造集轻便、灵活的电子设备于一体的多功能空间结构方面所具备的专长。

“这引起了美国国家航空航天局兰利研究中心的胡安·费尔南德斯的注意。他正在为弗吉尼亚理工大学的立方体卫星项目制作支撑结构，并看到了合作的机会，即在结构上添加多功能设备，而不仅仅是纯结构，”宁说。

宁说，最终用于包裹电子元件的膨胀装置由美国宇航局兰利研究中心制造。这是一种三层碳纤维和环氧树脂复合材料，设计得非常薄，厚度与一张纸相当。它像卷尺一样卷起，在卷圈中储存能量，直到它在太空中自行展开。

挑战与实用解决方案

“弗吉尼亚理工大学对我们提出了具体的要求，其中一些很有挑战性，”宁说。“一个是长度问题。他们希望将一米多长的电源线和数据线嵌入到像纸一样薄的复合材料中。我们尝试了不同的材料和技术。

“最终，我们使用了表面涂有绝缘层的细商业电线，并且成功了。我觉得我们一开始是想得太复杂了。我们尝试过更复杂、更花哨的方法，但都失败了。而这次，我们只是采用了简单可靠的解决方案，使用了现成的、容易获得的电线。”

另一个关键组件是一个轻巧灵活的电子贴片，上面装有运动传感器、温度传感器和一个蓝色发光二极管，全部安装在伸缩杆的顶端。宁（Ning）解释说，这些电子设备需要在忍受太空严酷的热真空条件的同时，还要保持足够的灵活性，以承受卷曲伸缩杆的突然展开。运动传感器负责监测伸缩杆的展开和振动情况，而蓝色发光二极管则有助于立方体卫星上的摄像头在伸缩杆展开后拍摄到其太空中的结构。

宁的团队进行了全面的实地实验和模拟，以探索具有柔性电子元件的双稳态伸缩杆的力学原理，以及其展开和振动行为。宁表示，这些基础研究有望为未来的多功能空间结构设计提供宝贵见解。

弗吉尼亚理工大学的这款带有多功能伸缩杆的3单元立方体卫星（CubeSat）计划于2025年发射。

“我们还在努力让柔性电子器件在太空中的使用寿命更长，研究保护电子器件的方法，使它们能够在太空环境中运行更长时间。”

参考文献：姚瑶、胡安·M·费尔南德斯、斯文·G·比伦和辛宁于2024年10月18日在《极端力学快报》上发表的“具有柔性电子器件的多功能双稳态超薄复合材料伸缩臂”。DOI：10.1016/j.eml.2024.102247