古老的折纸艺术竟能用在航天上

本文转自：金陵晚报

▲同学们动手尝试折纸。受访者供图

▲太阳能电池阵。受访者供图 ▲“太阳翼”折叠成品。 金陵晚报/紫金山新闻记者 程锦欣 摄

□金陵晚报/紫金山新闻记者

程锦欣

你知道吗，航天结构里竟然会用到折纸艺术！折纸艺术又是如何运用到航天技术中去的？近日，在南京图书馆的十德堂里，南京航空航天大学航空学院副教授、工学博士孙加亮带领小读者开展了一场关于“折纸艺术与航天结构”的科学小课堂。

航天结构用上折纸艺术？

利用纸上的线条，通过折痕设计，把一个二维的平面折成一个三维的空间结构，这就是折纸。折纸艺术起源于中国，历史源远流长，可以追溯到公元583年。

那么折纸又是怎样和航天技术联系起来的呢？折纸艺术有两个较为显著的特性：结构合理性和形状可变性。也就是说，折纸可以很容易地将本来柔软的纸材变成拥有一定刚度的结构，这一点奠定了其应用于航天结构领域的基础。

“我知道了！因为运载火箭装不下巨大的空间结构，所以我们要把它折起来，送到太空后再展开。”小学五年级学生胡正涵课堂上积极地参与，同时也道出了航天结构里运用折纸艺术的原因。孙加亮指着屏幕上展示的嫦娥四号月球探测器的中继卫星“鹊桥”解释道：“中继星‘鹊桥’上架设了一副展开后口径近5米的伞状天线，这是人类深空探测器历史上携带的最大口径通信天线。”

据了解，“鹊桥”的运载火箭长征四号丙运载火箭最大直径是3.35米，因此想把展开后口径达近5米的“鹊桥”装入其中，“折叠伞”的巧妙构思就成了“推进器”。在中继星与火箭分离一段时间后，这把“伞状天线”打开，它为“鹊桥”和地球之间铺设了一架宏伟的“高速桥梁”，帮助“鹊桥”实时地把在月面背面着陆的嫦娥四号探测器发出的科学数据第一时间传回地球。

“原来神秘的宇宙都是靠这些精妙的‘折纸艺术’展示在我们眼前的，真是太神奇了。”张嘉瑞小朋友感叹道。

同样，用于天基通信的天线口径基本在30米至300米，载人航天所需的太阳能电池阵长度在50米至100米……面对“小容量”里的“大需求”，折纸艺术在航天结构中起到了至关重要的作用。

“太阳能电池阵”能“卷起来”？

“大家有没有玩过一吹气就会展开的玩具哨子‘吹龙’？在航天工程师的手中，这个卷曲结构也被运用在了太阳能帆板的电池阵上。”孙加亮说，航天器在外太空没有电，也不可能烧煤，它所有的能源都来自于太阳，“所以说如果电池阵的面积越大，发电效率就越高，但过大的面积又装不进运载火箭，于是我们决定把它‘卷起来’。”

这里说的“卷起来”，就是利用了折纸艺术中“卷曲折纸”的原理。由于这种折法没有折痕，因此在多次折叠后不会像其他折叠方式那样在折痕处产生断裂，可以使结构重复展开与收拢。

2017年，可展开太阳能电池阵列在国际空间站上进行了实验。它由轻质网状材料制成，这种材料可以绕轴卷起并装在一个紧凑的圆柱体里。“就像玩具‘吹龙’口哨一样，这种太阳能电池阵一端被固定住，通过伸杆将卷筒往外推，展开后的太阳能电池板长达8.6米。”孙加亮介绍说，“与折叠式太阳电池阵相比，卷式太阳电池阵的质量轻，可为太阳电池提供更大的支承面积，因此可用于需要很大电源功率的航天器。”

“折”进太空后怎么展开？

2019年，我国研制的“天帆一号”搭载了潇湘一号07卫星，就是为了在轨验证多项太阳帆关键技术，包括太阳帆的展开。“玄武湖里的帆船，有风吹就会产生推力，但对于太阳帆航天器就不是那么简单了，太阳帆是什么呢？肯定与太阳有关，它是能够利用太阳光的光压力进行宇宙航行的一种航天器，利用太阳光的光压产生一定的推动力。”说到这里，孙加亮卖起了关子，“巨大的太阳帆如何在太空中展开呢？”

原来，Z字折纸法、单叶折纸法、三浦折纸法……各式各样的“折纸大法”都被航天工作者运用在了航天器的空间结构上。“我想到了！太阳帆展开应该像卷尺一样，一弹就开了！”朱梓童小朋友高高地举起手，激动地说。“没错，太阳帆上的四根棱就像四个豌豆荚形状的卷尺，它可以带着风帆一起展开。”孙加亮说。原来，这样的一个风帆的折叠，其实就是典型的Z字折叠法。

三浦折叠法同样也是折纸中最为著名的方法之一，这属于刚性折叠。“与传统的折纸结构不同，传统方法我们通常需要分两次沿不同的轴展开，而三浦折叠特殊的结构使得折纸只需要沿着一个方向进行拉伸，整个结构就会舒展成完整的平面，反之只需轻轻一推即可折叠缩小，并且折叠后的面积比平折结构小很多。”孙加亮一边说，一边拿起手中的纸向在座的读者展示起来，“刚性折叠、沿单一方向即可展开、折叠后面积小这三个特点与航天器太阳能板的需求非常符合。1995年，以三浦折叠法为思路设计的太阳能板被实际应用于卫星上。”

“我以后也要努力学习，争取加入航天人的队伍！”“我要发明更高超的技术，让我们中国航天发展得更厉害！”台下的小听众七嘴八舌地讨论起来，“能把折纸艺术运用到航天器上，今天终于有老师给我‘揭秘’了！”