纖維復合材料的航天應用及實例
航天飛行器和運載火箭對重量的敏感度更勝于航空器，一般來講每千克的載荷大約需要500kg的火箭燃料，因此達成每- -克減重效果的方案都是值得一試的。在人類征服太空的歷程中,先進復合材料屢建奇功，現在已經成為這一-領域重要的主體結構材料。航天要的是解決運載工具的問題，而運載I具不可或缺的是燃料。一般來講，運載火箭自重(不包括燃料)的60%來自于燃料罐和氧化劑罐，傳統的制罐材料是鋁合金,如果換為碳纖維復合材料，
可以減重30%，這樣可以大大增加有效載荷,或者在同樣載荷下減少-個推進發動機或一個助推火箭,意義重大。所以，近年來美國致力于發展這項技術, 2012年NASA和波音的工程師采用美國氰特公司的新型非熱壓罐碳纖維復合材料，成功地設計制造了直徑為5.5m的低溫燃料罐( cryotank)，這是迄今為止大的火箭推進劑罐,如圖1-6所示。值得一提的是，與DeltaIV-LH2鋁合金罐相比,他們不僅實現了減重43%的目標,而且通過這種新方法減少制造成本25% (約800萬美元)。目前，他們正在努力實現10m直徑的新目標。運載火箭的主要任務是將設備或人員送上太空軌道或其他星體，如月球和火星等。其中，衛星是目前主要的太空設備，在各種衛星中，為了實現減重的目標,幾乎沒有不使用先進復合材料的地方。例如,載有太陽能設備的衛星或空間探測器,其太陽翼框架幾乎都是采用碳纖維復合材料制造。國際空間站( international space station)是另一個應用先進復合材料的典范。在這個龐大的太空設備中，除了支撐8對共3000m2太陽翼的框架外，空間站幾乎所有的桁架結構和壓力容器都是碳纖維復合材料。的天宮一號空間站也充分利用了先進復合材料，它的許多結構件，包括推進艙、光學儀器安裝臺等，都有碳纖維復合材料的身影。
近年來,美國和西方的民間太空計劃在政府的鼓勵下發展勢頭良好，未來的近地太空任務將逐步由民間公司和機構來完成，而政府機構，如美國NASA的主要任務將轉向更高級的層次(如登月)或外太空探索(如火星探索和登陸計劃)。位于美國加州的太空X公司( SpaceX)就是在這種背景下由傳奇人物Elon Musk在2002年建立的，該公司2012年成功使用它的獵鷹( Falcon )火箭將他們的龍飛船( DragonX)和一-批重達400kg的設備送到了國際空間站，成為個到達國際空間站的私人飛行器。該公司已經同NASA簽訂了價值16億美元的合同，在航天飛機退役之后承擔在2013- -2017年向國際空間站運送人員物資的13次飛行任務。該公司還計劃在未來20年實現地球到火星的商業旅游?？梢灶A見，這些進展以及雄心勃勃的計劃, 將會是先進復合材料技術得到進一步提升的新的契機。美國太空飛機( spaceplane )是另-一個很好的例子，以2003年飛的太空飛船一號( Spaceship One )為代表,它可以視為航天飛機的升級簡化版,采用母機投放與火箭推進器結合,這種太空飛機從結構上幾乎全部由先進復合材料制成，其發射和運行比航天飛機便宜很多，它后續的太空飛船_二號( Spaceship Two )也是如此。本來計劃在2015年春通過太空飛船二號實現次商業化載人太空旅行，但是2014年10月31日，太空飛船二號在進行飛船釋放試飛中，與母機分離不久就發生了爆炸，墜毀在美國加州的莫哈維沙漠,兩名太空飛行員- -死- -傷，爆炸原因是飛行員在沒有達到既定馬赫數時提前解鎖了飛船的活動“羽毛”尾翼。這個變故雖然會推遲原定的載人太空旅行時間，但飛船的擁有者維京星際公司表示第二艘太空飛船二號樣機的制造已經完成了80% ,很快就能繼續完成飛行測試任務。圖1-7所示為太空飛船二二 號及其投放母機。
作為美國新一代載人航天器的獵戶座飛船( Orion )不僅是美國新登月計劃的運載工具,也將是近地軌道之外的外太空探索計劃的主力飛船。根據NASA的資料，其先進性標志之-就是在其設計制造中大量使用先進復合材料，例如各種功能艙的結構件(composite structures )和復合材料隔熱層，如圖1-8所示。
在外太空( deep space )的各種無人探測器上，都有大量的先進復合材料。新一代的火星探測器好奇號( Mars Curiosity Rover )上，除了傳統的復合材料結構件和光學基座外，其太陽能板框和隔熱防護層也是碳復合材料。
復合材料的功能常常是多方面的，這在太空應用中尤其明顯，值得一提的是哈勃望遠鏡。這臺功勛卓著的太空望遠鏡，其精密的光學設備艙就是采用碳纖維環氧樹脂復合材料制成，除了利用其減重的效果，還利用了碳纖維復合材料在經向的熱膨脹系數幾乎為零的特點，確保光學部件在太空的巨大溫差條件下保持完美的聚焦精度。而美國的航天飛機(也稱太空梭space shuttle )外部隔熱板采用碳/碳復合材料，則是利用其優良的導熱性和耐燒蝕性。
