一种热驱动的液晶太阳光帆展开装置

本发明属于太阳光帆，具体涉及一种热驱动的液晶太阳光帆展开装置。

背景技术：

1、液晶弹性体是一种耦合了熵弹性和液晶有序性的智能材料，通常由液晶与高分子聚合物交联而成。因其具有高能量密度、刺激响应迅速和大幅度可逆变形能力的特性，是构筑柔性驱动器的优异选择。当液晶弹性体被加热到特定转变温度时，其内部相列式排布的液晶高分子会转变为各向同性排布，在宏观上即表现为显著的可恢复变形。

2、在航天深空探测中，利用太阳光帆产生动力航行的想法由来已久。研究表明当光子撞击到光滑表面上时，也会给撞击物体产生反作用力，因此当光束照射到光帆上时会产生光压。当飞行器足够轻且光帆足够大时，理论上只要光帆的形状和倾角合适，在太阳光光压作用下，就能在一定时间内达到高速宇宙飞行。因光帆需要面积很大且非常轻薄的薄膜作为帆，其中一个关键性问题是光帆的太空展开方案。目前的帆面展开方式主要有桅杆结构拉伸展开和自旋展开，然而这些方案存在结构繁复、质量过重的劣势——恰恰是光帆中最关键的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可实现可编程的展开和折叠的热驱动的液晶太阳光帆展开装置。

2、本发明提供的热驱动的液晶太阳光帆展开装置，是由作为骨架的液晶弹性体粘附于光帆薄膜之上组成，通过液晶弹性体在热场刺激下的自身变形带动光帆薄膜折叠和展开，即实现可编程的展开和折叠；其中：

3、光帆薄膜的具体形状包括一个大的正三角形和三个小的正方形，三个小正方形薄膜的一个顶角分别位于正三角形的顶角处，每个正方形薄膜与三角形薄膜为轴对称排布(对称轴为每个正方形薄膜对角线)；

4、所述液晶弹性体为条带形状，是双层膜结构。

5、液晶弹性体用直写式3d打印机打印成条带状，如图1所示，打印所用的液晶墨水是在经典的迈克尔加成反应方法基础上制备而成的。将液晶打印墨水置入密封针筒中，通过控制气泵定压将墨水从针头均匀挤出。在lce打印过程中，未交联的液晶低聚物组成的粘性墨水从打印嘴喷出时受到喷嘴剪切应力的作用，将自发地沿打印路径排列，辅以紫外线交联固定前驱体，得到取向性能良好的液晶条带。在热场下液晶弹性体沿水平指向矢方向收缩，垂直指向矢方向膨胀，在110℃附近(略高于向列相-各向同性转变温度)，收缩与膨胀的速率达到最大。底层水平打印，上层竖直打印，这样当温度变化时，双层膜的热膨胀系数不同，整体产生弯曲变形。

6、为保证光帆展开和折叠的有序性，通过合成不同成分的液晶低聚物油墨，改变他们的主链灵活性和交联化学性质，能够改变其弯曲变形发生的临界温度，进而达到明显的两步或多步骤变形。

7、将液晶条带按照中间三角薄膜形心到三个角的线路分别粘贴连接，可通过丝线缝制、胶水粘结和双面胶粘连等方式保证薄膜与液晶骨架连接牢固。液晶条带伸出部分用于连接正方形薄膜，类似地，将液晶条带按照正方形薄膜一条对角线位置粘贴连接，确保三个正方形薄膜对角线分别于中央三角形形心到角点直线共线且正方形一个角点与三角形相重合。参见图3。

8、以上即为光帆的基本结构。

9、本发明中，所述双层长方形条带的尺寸为(4--6cm)*(0.8-1.2cm)*(0.6-1.0)cm。优选为5cm*1cm*0.8cm。

10、本发明中，所述正三角形薄膜边长为8.5-9.2cm，优选为8.7cm。

11、本发明中，所述正方形薄膜的边长为3-4cm，优选为3.5cm。

12、此后通过调控热辐射载荷即可控制光帆结构的展开和折叠。整个光帆及液晶骨架初始为卷曲的折叠结构，其展开过程分为两个阶段：

13、阶段一：中心三角形光帆薄膜上的三角条带受到光照或发热设备辅助升温达到变形临界值后展开成平直状态，同时外侧正方形光帆薄膜逐步暴露在光照下温度开始升高；

14、阶段二：外侧粘接于正方形光帆上的条带达到变形临界值展开成平直状态，光帆完全展开。

15、类似地，当某些场合下需要折叠收纳光帆时，可通过辅助设备将光帆调整至不受照射位置，则光帆开始降温，由于两段液晶条带的临界变形温度不同，因此外围正方形帆首先卷曲收纳，后中心三角形帆卷曲收纳。下面示意图尺度无关，实际光帆的大尺度并不影响结构变形过程和机制。

16、本发明的技术特点和性能优势主要有：

17、(1)结构在温度改变并达到临界值后可以自发由弯曲状态恢复平直状态，带动薄膜展开，采用热辐射的无接触的巧妙控制方式。

18、(2)通过不同的温度可实现分级调控展开程度以达到不同的要求。

19、(3)在实现智能化收纳和展开功能的前提下拥有较高的收纳比。

20、(4)在太空环境下实现极低能量且快速响应的光帆展开和收纳。

21、(5)结构灵活可控，可以控制某一帆面的展开收束，调整整体的姿态和前进方向。

技术特征：

1.一种热驱动的液晶太阳光帆展开装置，其特征在于，由作为骨架的液晶弹性体粘附于光帆薄膜之上组成，通过液晶弹性体在热场刺激下的自身变形带动光帆薄膜折叠和展开，实现可编程的展开和折叠；其中：

2.根据权利要求1所述的热驱动的液晶太阳光帆展开装置，其特征在于，为保证光帆展开和折叠的有序性，通过合成不同成分的液晶低聚物油墨，改变他们的主链灵活性和交联化学性质，能够改变其弯曲变形发生的临界温度，进而达到两步或多步骤变形。

3.根据权利要求1所述的热驱动的液晶太阳光帆展开装置，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的热驱动的液晶太阳光帆展开装置，其特征在于，通过调控热辐射载荷控制光帆结构的展开和折叠；整个光帆及液晶骨架初始为卷曲的折叠结构，其展开过程分为两个阶段：

技术总结
本发明属于太阳光帆技术领域，具体为一种热驱动的液晶太阳光帆展开装置。本发明液晶太阳光帆展开装置由作为骨架的液晶弹性体粘附于光帆薄膜之上组成；光帆薄膜形状包括一个大的正三角形和在正三角形外侧三个小的正方形，每个正方形薄膜与三角形薄膜为对称排布；液晶弹性体为条带形状，是双层膜结构，用直写式3D打印机打印而成，底层水平打印，上层竖直打印；当温度变化时，双层膜的热膨胀系数不同，整体产生弯曲变形。本发明可通过不同的温度实现分级调控展开程度以达到不同的要求；在实现智能化收纳和展开功能的前提下拥有较高的收纳比；结构灵活可控，可以控制某一帆面的展开收束，调整整体的姿态和前进方向。

技术研发人员：徐凡,李歆祺,张晓亮
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24