高模量碳纖維在太空望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用
日期：2020-03-04
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摘 要
高模量碳纖維是一種含碳量99%以上高性能碳纖維，由于具有高強(qiáng)度、高模量、低熱膨脹等優(yōu)異特性，高模量碳纖維廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，尤其是其結(jié)構(gòu)件在太空高低溫交變環(huán)境下具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，因此高模量碳纖維成為衛(wèi)星用高性能材料的選。
本文主要介紹了高模量碳纖維與氰酸酯樹脂在太空望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域的應(yīng)用，主要工作基于日本航天探索局在CFRP材質(zhì)太空反射鏡領(lǐng)域的研究工作，考察了CFRP在太空望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用的可行性。
1.背景介紹
近年來(lái)，為了觀察深空或研究遠(yuǎn)星的精確位置，對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡的分辨率要求越來(lái)越高。通過增加主鏡的孔徑直徑是實(shí)現(xiàn)高分辨率的主要途徑之一，但是由于衛(wèi)星受到嚴(yán)格的質(zhì)量限制，太空望遠(yuǎn)鏡直徑增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星質(zhì)量增加，因此大孔徑太空望遠(yuǎn)鏡輕量化勢(shì)在必行。
CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）已經(jīng)廣泛用于衛(wèi)星和機(jī)載任務(wù)傳感器的主要結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于CFRP具有質(zhì)量輕、低熱膨脹、高剛度和高導(dǎo)熱性等優(yōu)異特定，因此也成為太空望遠(yuǎn)鏡有前途的主鏡材料。
CFRP材質(zhì)太空望遠(yuǎn)鏡往往由CFRP面板和CFRP蜂窩芯結(jié)構(gòu)組成，其中碳纖維選用高模量碳纖維，而樹脂基體則以氰酸酯樹脂居多。高模量碳纖維熱膨脹系數(shù)極低，通過與樹脂復(fù)合后可保證結(jié)構(gòu)件近乎零熱膨脹系數(shù)。
此外，在軌道交變溫度環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性也是太空望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問題。而選擇氰酸酯作為基體原因在于與環(huán)氧樹脂相比，其吸濕性低。圖1顯示了CFRP材質(zhì)的直徑為150 mm的球面鏡。
圖1 全CFRP材質(zhì)的望遠(yuǎn)鏡球面鏡結(jié)構(gòu)
2.CFRP太空望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用實(shí)例
2.1 項(xiàng)目來(lái)源
Japan Astrometry Satellite Mission for Infrared Exploration（簡(jiǎn)稱：JASMINE）即日本紅外探測(cè)天體測(cè)量衛(wèi)星任務(wù)（圖2），該項(xiàng)目主要目標(biāo)是闡明銀河系凸起的結(jié)構(gòu)形成模式以及銀河中心周圍的恒星形成史。
小型JASMINE衛(wèi)星將在紅外Hw波段（1.7μm）內(nèi)觀測(cè)銀河系中心周圍區(qū)域的恒星，確定銀河系中心周圍數(shù)百萬(wàn)顆恒星的位置和視差，并須精確到10微弧秒，這些恒星的亮度比Hw=11.5 mag還高。
圖2 日本紅外探測(cè)天體測(cè)量衛(wèi)星任務(wù)
這次測(cè)量將計(jì)劃使用一個(gè)主鏡直徑為300毫米的單光束望遠(yuǎn)鏡（圖3）。主鏡的形狀精度要求為λ/20，表面粗糙度要求為λ/50，表面粗糙度要求為0.8μm PV，表面粗糙度要求為30nm PV，并在低地球軌道的工作溫度210k下保持這些形狀。
圖3 日本紅外探測(cè)天體測(cè)量衛(wèi)星任務(wù)的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)
JASMINE的基本設(shè)計(jì)主要由日本國(guó)立天文臺(tái)（NAOJ）的JASMINE項(xiàng)目辦公室與JAXA、京都大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)聯(lián)合進(jìn)行，針對(duì)JASMINE望遠(yuǎn)鏡的主鏡需求，采用CFRP材料進(jìn)行了太空望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)。
2.2 主要原料和結(jié)構(gòu)加工過程
CFRP反射鏡由具有CFRP表面蒙皮和CFRP柔性芯的夾層板組成。其中蒙皮結(jié)構(gòu)中碳纖維選用了日本石墨纖維公司YSH-60A型碳纖維（拉伸強(qiáng)度3830MPa、拉伸模量630GPa），NM31型低濕膨脹氰酸酯也是由日本石墨公司提供。
柔性芯蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)中碳纖維選用了日本石墨纖維公司的YSH-50A型高模量碳纖維（拉伸強(qiáng)度3830MPa、拉伸模量520GPa），而氰酸酯樹脂是美國(guó)TenCate公司生產(chǎn)RS-3型樹脂，值得注意的是RS-3氰酸酯基復(fù)合材料也被用于美國(guó)航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的中吊桿遮陽(yáng)板部署結(jié)構(gòu)。
具體加工流程：將單向預(yù)浸料層壓成16層的準(zhǔn)各向同性堆疊，然后在高壓釜中預(yù)固化；夾芯結(jié)構(gòu)由平布預(yù)浸料單片制成，纖維方向與芯高方向成45°，選擇撓性芯便于形成彎曲形狀；使用環(huán)氧樹脂薄膜粘合劑將預(yù)固化的蒙皮面板和芯材粘合在一起（詳細(xì)流程示意圖如圖4所示）。
圖4 CFRP材質(zhì)太空望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)加工流程
2.3 主要結(jié)論
在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試時(shí)主要通過使用白光干涉儀的3D光學(xué)輪廓儀（New View 7300，Zygo）觀察反射鏡的表面輪廓（圖5），重點(diǎn)研究了低溫環(huán)境中CFRP反射鏡表面精度的變化規(guī)律（圖6）。
圖5 CFRP材質(zhì)太空望遠(yuǎn)鏡表面輪廓結(jié)構(gòu)表征
圖6 CFRP反射鏡低溫環(huán)境下表面精度的變化
結(jié)果顯示，制造的反射鏡經(jīng)優(yōu)化工藝條件后，形狀精度提高到0.2μmRMS，表面粗糙度達(dá)到6.2 nm RMS；在JASMINE望遠(yuǎn)鏡的工作溫度210 K下，溫度引起的圖形誤差為700 nm PV和115 nm RMS。
結(jié)合衛(wèi)星從地面到軌道的溫度變化，由于水分在軌道上的解吸收縮而引起的變形將估計(jì)為比熱變形大幾倍。未來(lái)工作重點(diǎn)在于：通過預(yù)浸料和工藝優(yōu)化進(jìn)一步提高CFRP反射鏡的形狀精度和熱穩(wěn)定性。
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