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纖維復(fù)合材料的航天應(yīng)用及實(shí)例

日期：2020-06-28 來(lái)源：《纖維復(fù)合材料》 瀏覽：3315

航天飛行器和運(yùn)載火箭對(duì)重量的敏感度更勝于航空器，一般來(lái)講每千克的載荷大約需要500kg的火箭燃料，因此達(dá)成每- -克減重效果的方案都是值得一試的。在人類(lèi)征服太空的歷程中,先進(jìn)復(fù)合材料屢建奇功，現(xiàn)在已經(jīng)成為這一-領(lǐng)域重要的主體結(jié)構(gòu)材料。航天要的是解決運(yùn)載工具的問(wèn)題，而運(yùn)載I具不可或缺的是燃料。一般來(lái)講，運(yùn)載火箭自重(不包括燃料)的60%來(lái)自于燃料罐和氧化劑罐，傳統(tǒng)的制罐材料是鋁合金,如果換為碳纖維復(fù)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(gè)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)或一個(gè)助推火箭,意義重大。所以，近年來(lái)美國(guó)致力于發(fā)展這項(xiàng)技術(shù), 2012年NASA和波音的工程師采用美國(guó)氰特公司的新型非熱壓罐碳纖維復(fù)合材料，成功地設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了減重43%的目標(biāo),而且通過(guò)這種新方法減少制造成本25% (約800萬(wàn)美元)。目前，他們正在努力實(shí)現(xiàn)10m直徑的新目標(biāo)。運(yùn)載火箭的主要任務(wù)是將設(shè)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(wèi)星是目前主要的太空設(shè)備，在各種衛(wèi)星中，為了實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo),幾乎沒(méi)有不使用先進(jìn)復(fù)合材料的地方。例如,載有太陽(yáng)能設(shè)備的衛(wèi)星或空間探測(cè)器,其太陽(yáng)翼框架幾乎都是采用碳纖維復(fù)合材料制造。國(guó)際空間站( international space station)是另一個(gè)應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料的典范。在這個(gè)龐大的太空設(shè)備中，除了支撐8對(duì)共3000m2太陽(yáng)翼的框架外，空間站幾乎所有的桁架結(jié)構(gòu)和壓力容器都是碳纖維復(fù)合材料。的天宮一號(hào)空間站也充分利用了先進(jìn)復(fù)合材料，它的許多結(jié)構(gòu)件，包括推進(jìn)艙、光學(xué)儀器安裝臺(tái)等，都有碳纖維復(fù)合材料的身影。

 

復(fù)合材料的功能常常是多方面的，這在太空應(yīng)用中尤其明顯，值得一提的是哈勃望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)功勛卓著的太空望遠(yuǎn)鏡，其精密的光學(xué)設(shè)備艙就是采用碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制成，除了利用其減重的效果，還利用了碳纖維復(fù)合材料在經(jīng)向的熱膨脹系數(shù)幾乎為零的特點(diǎn)，確保光學(xué)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(guó)的航天飛機(jī)(也稱(chēng)太空梭space shuttle )外部隔熱板采用碳/碳復(fù)合材料，則是利用其優(yōu)良的導(dǎo)熱性和耐燒蝕性。

 

 

 


近年來(lái),美國(guó)和西方的民間太空計(jì)劃在政府的鼓勵(lì)下發(fā)展勢(shì)頭良好，未來(lái)的近地太空任務(wù)將逐步由民間公司和機(jī)構(gòu)來(lái)完成，而政府機(jī)構(gòu)，如美國(guó)NASA的主要任務(wù)將轉(zhuǎn)向更高級(jí)的層次(如登月)或外太空探索(如火星探索和登陸計(jì)劃)。位于美國(guó)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(dá)400kg的設(shè)備送到了國(guó)際空間站，成為個(gè)到達(dá)國(guó)際空間站的私人飛行器。該公司已經(jīng)同NASA簽訂了價(jià)值16億美元的合同，在航天飛機(jī)退役之后承擔(dān)在2013- -2017年向國(guó)際空間站運(yùn)送人員物資的13次飛行任務(wù)。該公司還計(jì)劃在未來(lái)20年實(shí)現(xiàn)地球到火星的商業(yè)旅游?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這些進(jìn)展以及雄心勃勃的計(jì)劃, 將會(huì)是先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)得到進(jìn)一步提升的新的契機(jī)。美國(guó)太空飛機(jī)( spaceplane )是另-一個(gè)很好的例子，以2003年飛的太空飛船一號(hào)( Spaceship One )為代表,它可以視為航天飛機(jī)的升級(jí)簡(jiǎn)化版,采用母機(jī)投放與火箭推進(jìn)器結(jié)合,這種太空飛機(jī)從結(jié)構(gòu)上幾乎全部由先進(jìn)復(fù)合材料制成，其發(fā)射和運(yùn)行比航天飛機(jī)便宜很多，它后續(xù)的太空飛船_二號(hào)( Spaceship Two )也是如此。本來(lái)計(jì)劃在2015年春通過(guò)太空飛船二號(hào)實(shí)現(xiàn)次商業(yè)化載人太空旅行，但是2014年10月31日，太空飛船二號(hào)在進(jìn)行飛船釋放試飛中，與母機(jī)分離不久就發(fā)生了爆炸，墜毀在美國(guó)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(méi)有達(dá)到既定馬赫數(shù)時(shí)提前解鎖了飛船的活動(dòng)“羽毛”尾翼。這個(gè)變故雖然會(huì)推遲原定的載人太空旅行時(shí)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(hào)樣機(jī)的制造已經(jīng)完成了80% ,很快就能繼續(xù)完成飛行測(cè)試任務(wù)。圖1-7所示為太空飛船二二 號(hào)及其投放母機(jī)。

作為美國(guó)新一代載人航天器的獵戶(hù)座飛船( Orion )不僅是美國(guó)新登月計(jì)劃的運(yùn)載工具,也將是近地軌道之外的外太空探索計(jì)劃的主力飛船。根據(jù)NASA的資料，其先進(jìn)性標(biāo)志之-就是在其設(shè)計(jì)制造中大量使用先進(jìn)復(fù)合材料，例如各種功能艙的結(jié)構(gòu)件(composite structures )和復(fù)合材料隔熱層，如圖1-8所示。

在外太空( deep space )的各種無(wú)人探測(cè)器上，都有大量的先進(jìn)復(fù)合材料。新一代的火星探測(cè)器好奇號(hào)( Mars Curiosity Rover )上，除了傳統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和光學(xué)基座外，其太陽(yáng)能板框和隔熱防護(hù)層也是碳復(fù)合材料。

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