盤點(diǎn)近年來碳纖維復(fù)合材料在太空計(jì)劃中的應(yīng)用
日期：2020-04-02
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2019年7月20日是阿波羅登月50周年紀(jì)念日。雖然在建造阿波羅太空艙時(shí)，復(fù)合材料工業(yè)還處于起步階段，而且材料尚未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，但阿波羅太空艙采用了早期的復(fù)合材料技術(shù)，如由Avcoat制成的燒蝕式隔熱罩。
Avcoat是一種環(huán)氧-酚醛樹脂制成，其二氧化硅纖維位于玻璃纖維/酚醛樹脂蜂窩基體中。它通過將玻璃纖維蜂窩狀物粘結(jié)到一級(jí)結(jié)構(gòu)上，并將糊狀材料分別注入每個(gè)單元。自阿波羅登月以來，先進(jìn)復(fù)合材料得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)、衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡和國際空間站等航天項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。
阿波羅號(hào)的隔熱罩是由環(huán)氧-酚醛樹脂制成的
如今人類發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)為太空探索邁出了激動(dòng)人心的新步伐。美國現(xiàn)任政府呼吁美國宇航員在2024年前重返月球，并宣布2021年美國航空航天局NASA人類太空探索計(jì)劃的預(yù)算超過250億美元。除了再次登陸月球外，NASA目前和即將執(zhí)行的任務(wù)是研究太陽系，從太陽到外層行星和更遠(yuǎn)地區(qū)的冰冷衛(wèi)星。
探索太陽的任務(wù)目前正在進(jìn)行中，在撰寫本文時(shí)，Parker太陽探測(cè)器目前正在監(jiān)測(cè)太陽的大氣層，并且一個(gè)太陽軌道飛行器已經(jīng)成功發(fā)射。此外，還正在努力通過過境的系外行星測(cè)量衛(wèi)星（TESS）任務(wù)和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步探索系外行星和遙遠(yuǎn)星系。
近年來，由于和國際空間機(jī)構(gòu)以及商業(yè)公司之間的合作不斷加強(qiáng)，新的航天器和項(xiàng)目也產(chǎn)生了成果。例如，擁有Crew Dragon航天器SpaceX和擁有Starliner航天器的波音航天正在爭(zhēng)奪自停飛以來美國次載人航天計(jì)劃。這兩家公司一直在與NASA進(jìn)行試飛，希望在2021年完成載人飛行任務(wù)。從NASA的太空計(jì)劃得到越來越多的支持，到商業(yè)太空的爆炸式增長，人類似乎真的為下一個(gè)偉大的太空時(shí)代做好了準(zhǔn)備。復(fù)合材料和先進(jìn)材料在制造發(fā)射器、航天器和儀器方面發(fā)揮著越來越大的作用，使所有這些探索成為可能。
1、探 月 計(jì) 劃
使人類重返月球的總體計(jì)劃是以希臘月亮女神阿爾特彌斯（Artemis）和阿波羅（Apollo sister）孿生姐妹亨特命名的，而且計(jì)劃的范圍很廣。阿耳特彌斯將建立一個(gè)月球軌道基地，使宇航員不僅可以進(jìn)一步探索月球，還可以將月球作為終火星任務(wù)的前哨站。阿耳特彌斯計(jì)劃由幾個(gè)項(xiàng)目組成，包括一個(gè)稱為空間發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的新型重型發(fā)射系統(tǒng)、獵戶座載人飛船、一個(gè)稱為網(wǎng)關(guān)的月球軌道空間站和一個(gè)月球著陸器。先進(jìn)復(fù)合材料以某種方式融入所有這些組件。
1-1、航天發(fā)射系統(tǒng)
NASA的新型重型運(yùn)載火箭旨在實(shí)現(xiàn)地球軌道以外的探測(cè)。2015年，NASA投資了一臺(tái)電子撞擊自動(dòng)纖維放置（AFP）機(jī)，用于制造大型火箭部件，包括直徑超過8米、由碳纖維蒙皮和鋁蜂窩芯制成的夾層結(jié)構(gòu)。AFP頭可容納多達(dá)16個(gè)碳纖維線軸，位于一個(gè)21英尺的機(jī)械臂末端，機(jī)械臂將碳纖維以精確的模式放置在模具表面，以形成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)。
即將運(yùn)裝的Space Launch System (SLS)系統(tǒng)
RUAG Space使用手動(dòng)鋪層工藝創(chuàng)建了類似的三明治結(jié)構(gòu)。該公司正在與Dynetics合作開發(fā)一款通用舞臺(tái)適配器，將SLS的上層連接到獵戶座船員艙。RUAG Space將制造適配器的直徑為8.4米的外殼，包括四個(gè)復(fù)合材料蜂窩芯四分之一面板，這些面板將熱粘合在一起。
1-2、獵戶座多用途載人飛船
Orion獵戶座由洛克希德馬丁公司制造的指揮艙和歐洲航天局提供、空中客車國防與航天公司制造的服務(wù)艙組成，是阿耳特彌斯計(jì)劃的核心，將把宇航員送上太空，在太空旅行并將宇航員送回地球。
獵戶座飛船正在準(zhǔn)備進(jìn)行熱測(cè)試
獵戶座的推進(jìn)系統(tǒng)包括許多由Aerojet Rocketdyne制造的部件，其中包括8個(gè)110磅推力的生物推進(jìn)劑輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)基于Rocketdyne航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的R-4D發(fā)動(dòng)機(jī)系列。Aerojet Rocketdyne還為航天器提供發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）拋射發(fā)動(dòng)機(jī)和復(fù)合材料過振壓力容器。在2020年初，Aerojet Rocketdyne安裝了碳纖維纏繞機(jī)來生產(chǎn)固體。
Aerojet Rocketdyne正在使用新型碳纖維纏繞機(jī)生產(chǎn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體
對(duì)于重返大氣層，獵戶座使用了洛克希德馬丁公司制造的直徑為5米的碳纖維隔熱罩，該隔熱罩采用碳纖維蒙皮和鈦蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)制造。然后，隔熱板覆蓋在Avcoat面板上，Avcoat是阿波羅任務(wù)中使用的相同燒蝕材料。
獵戶座的碳纖維隔熱罩是用Toray Advanced Composites高壓釜工藝制造的
在指揮模塊與維修模塊相連的位置處，用鈦螺栓將四個(gè)燒蝕材料壓縮墊固定在隔熱板上。壓墊必須能抵抗發(fā)射和上升過程中的結(jié)構(gòu)載荷，以及分離兩個(gè)模塊時(shí)的高溫沖擊。它們還必須滿足再入對(duì)耐高溫和燒蝕的要求。碳纖維/酚醛樹脂墊被用于飛獵戶座試驗(yàn)飛行器，但在飛行后出現(xiàn)層間裂紋，并被稱為3D多功能燒蝕TPS（3D-MAT）的3D機(jī)織解決方案取代，該解決方案使用了Bally帶狀軋機(jī)的3D機(jī)織石英材料和Toray Advanced Composites的氰酸酯樹脂。
獵戶座壓縮墊
1-3、月球軌道平臺(tái)網(wǎng)關(guān)（LOP-G）
Gateway是一個(gè)月球軌道空間站，由NASA與俄羅斯、加拿大、日本和歐洲航天機(jī)構(gòu)等國際合作伙伴共同開發(fā)。Gateway的作用是支持月球探測(cè)，并作為終火星任務(wù)的前哨站。空間站的各種模塊正在開發(fā)中，可能會(huì)以某種方式采用復(fù)合材料。由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和使用高應(yīng)變復(fù)合材料（HSC）的可部署空間系統(tǒng)開發(fā)的推出式太陽能陣列（ROSA）將用于網(wǎng)關(guān)項(xiàng)目。
HSC是一種薄而輕的復(fù)合材料，設(shè)計(jì)用于裝入小包裝并通過展開而展開。ROSA系統(tǒng)使用兩個(gè)碳纖維HSC吊桿來展開和拉緊一個(gè)大型太陽能電池板對(duì)Gateway的另一個(gè)潛在貢獻(xiàn)是Canadarm-3。該裝置是由加拿大航天局提出的，由碳纖維復(fù)合材料制成長8.5米機(jī)器人手臂。以前的Canadarm系統(tǒng)已經(jīng)用于航天飛機(jī)和國際空間站（ISS）。
1-4、月球著陸器
許多公司都在研究阿耳特彌斯登月系統(tǒng)的概念，所有這些都包括潛在的復(fù)合材料。例如，Blue Origin公司正在與洛克希德馬丁公司、諾斯羅普格魯曼公司和德雷珀公司合作開發(fā)一種擬議的三車登月系統(tǒng)：Blue Origin公司的Blue Moon登月車，諾斯羅普格魯曼公司提供的“轉(zhuǎn)移元件”車輛，用于定位著陸系統(tǒng)在月球軌道上，由洛克希德馬丁公司提供的“上升元件”運(yùn)載工具將宇航員從月球表面返回月球軌道。Draper將提供一個(gè)下降制導(dǎo)系統(tǒng)和飛行電子設(shè)備。其他幾家從事月球著陸器概念研究的公司包括波音公司、動(dòng)力公司、SpaceX公司和Sierra Nevada公司。
1-5、阿耳特彌斯西裝
2019年10月，NASA公布了兩種新的宇航服設(shè)計(jì)——一種新的探索艙外移動(dòng)裝置（xEMU）和獵戶座宇航員生存系統(tǒng)（OCSS）宇航服，這兩種宇航服都將用于阿耳特彌斯計(jì)劃的登月任務(wù)。據(jù)報(bào)道，與目前用于艙外活動(dòng)（EVA）的西服相比，xEMU西服的機(jī)動(dòng)性大大提高。據(jù)與美國宇航局制造宇航服有著長期合作關(guān)系的ILC Dover（Frederica，Del.，U S.）稱，xEMU宇航服是2016年交付給美國宇航局的一種高級(jí)步行服的升級(jí)版，稱為Z-2。Z-2宇航服原型在設(shè)計(jì)中采用了碳纖維/環(huán)氧樹脂軀干和臀部元素。
美國宇航局的新EVA套裝提供了更好的機(jī)動(dòng)性范圍
NASA的OCSS宇航服是為獵戶座宇航員設(shè)計(jì)的加壓發(fā)射和進(jìn)入服。雖然美國宇航局還沒有公布新設(shè)計(jì)中材料的細(xì)節(jié)，但可以肯定的是，其中涉及大量的復(fù)合材料。航天飛機(jī)時(shí)代的發(fā)射服和進(jìn)入服的特點(diǎn)是杜邦阻燃間位芳綸Nomex外層。以前的艙外移動(dòng)單元（EMU）使用了Nomex、para aramid Kevlar和Gore-Tex的組合，Gore-Tex是一種防水、透氣的織物膜，由W.L.Gore&Assoc.制造。
2、火 星 計(jì) 劃
阿耳特彌斯計(jì)劃的很大一部分正在為將人類送往火星做準(zhǔn)備。與此同時(shí)，NASA也在為今年夏天的無人火星任務(wù)而努力，該任務(wù)將在這顆紅色星球上建立一個(gè)新的機(jī)器人探測(cè)器和一架機(jī)器人探索直升機(jī)。一個(gè)膠囊狀的氣動(dòng)外殼將在火星進(jìn)入大氣層和著陸時(shí)保護(hù)火星2020探測(cè)器。外殼由鋁蜂窩和碳纖維蒙皮制成。隔熱罩采用瓷磚酚醛浸漬碳燒蝕（PICA）熱保護(hù)系統(tǒng)。
這種飛機(jī)外殼的設(shè)計(jì)目的是在火星探測(cè)器進(jìn)入大氣層和著陸時(shí)保護(hù)它
火星2020探測(cè)器本身長約10英尺，寬9英尺，高7英尺（長3米，寬2.7米，高2.2米）。雖然美國航天局還沒有公布建造火星車所用材料的細(xì)節(jié)，但據(jù)了解，高級(jí)復(fù)合材料培訓(xùn)公司擔(dān)任了美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的顧問，負(fù)責(zé)使用復(fù)合材料建造火星2020探測(cè)器。
火星2020探測(cè)器的重量將低于普通的小型車
在2314磅（1050公斤）的重量，流動(dòng)站將低于平均小型車。它需要既輕又耐用，才能前往這顆紅色星球，還需要足夠堅(jiān)固，能夠攜帶相機(jī)和科學(xué)儀器，以及火星直升機(jī)——這是另一種復(fù)合材料密集型飛行器，將用于探索這顆星球。火星直升機(jī)由1500多塊碳纖維、飛行級(jí)鋁、硅、銅、箔和泡沫組成，重量不超過4磅（1.8公斤）。
火星直升機(jī)制造過程中使用了1500多塊碳纖維結(jié)構(gòu)件
3、太 陽 計(jì) 劃
目前正在進(jìn)行兩項(xiàng)任務(wù)，以提高我們對(duì)太陽及其行為的認(rèn)識(shí)，這兩項(xiàng)任務(wù)的終目標(biāo)都是預(yù)測(cè)可能影響地面電力系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和定位系統(tǒng)的太陽風(fēng)暴。
3-1、帕克太陽探測(cè)器
帕克太陽探測(cè)器于2018年8月發(fā)射升空，并進(jìn)行原位測(cè)量和成像，以研究太陽日冕和太陽風(fēng)。為了承受這一地區(qū)的極端溫度，探測(cè)器采用了4.5英寸厚的輕質(zhì)反光罩。這種熱保護(hù)系統(tǒng)（TPS）是由夾在兩層碳層壓板之間的碳纖維復(fù)合泡沫材料制成，并在朝著太陽表面涂上白色陶瓷漆。防護(hù)罩由約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，并在美國碳纖維先進(jìn)技術(shù)公司建造。探測(cè)器的大部分儀器都藏在熱防護(hù)罩后面，沿著熱防護(hù)罩邊緣的傳感器保持航天器的正確位置。為飛船提供動(dòng)力的太陽能電池板可以縮回隔熱罩的陰影中進(jìn)行保護(hù)。一個(gè)簡單的冷卻系統(tǒng)通過循環(huán)大約一加侖的水來運(yùn)行，也被用來保持太陽能電池板和儀器的冷卻。
Parker Solar Probe的碳纖維復(fù)合泡沫TPS旨在承受太陽電暈的熱量
2019年1月，美國宇航局報(bào)告稱，帕克太陽探測(cè)器在第四次接近太陽（即近日點(diǎn)）后按設(shè)計(jì)運(yùn)行。飛船的熱防護(hù)系統(tǒng)達(dá)到了1134華氏度（612攝氏度）的新紀(jì)錄溫度，盡管這個(gè)防護(hù)隔熱罩后面的航天器和儀器保持在大約85華氏度（30攝氏度）的溫度。在2024年至2025年航天器近的三次近距離飛行期間，TPS的溫度將在2500華氏度（1370攝氏度）左右。
3-2、太陽軌道器
太陽軌道飛行器是歐洲航天局（ESA）和美國宇航局（NASA）于2020年2月發(fā)射的一項(xiàng)合作任務(wù)。軌道飛行器正處于一條獨(dú)特的軌道上，這將使它的綜合儀器能夠提供有史以來張?zhí)杻蓸O的圖像。
航天器由一個(gè)碳纖維復(fù)合材料/鈦層太陽屏蔽層保護(hù)，該屏蔽層帶有用于各種儀器的開口。324磅的隔熱板可以承受高達(dá)970華氏度（521攝氏度）的溫度，并使用0.05毫米厚的一層鈦箔來反射熱量。防護(hù)罩由2.94×2.56米的支撐板支撐，支撐板厚度約5厘米，由輕質(zhì)鋁蜂窩和兩層高導(dǎo)熱碳纖維蒙皮制成。進(jìn)一步的保護(hù)是由多層絕緣材料提供的，能夠承受572華氏度（300攝氏度）。
碳纖維復(fù)合材料/鈦層太陽屏蔽層保護(hù)太陽軌道飛行器免受太陽熱量的影響
4、太 陽 系 以 外
2019年8月，諾斯羅普·格魯曼公司位于美國加利福尼亞州雷東多海灘的設(shè)施工程師次將詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）光學(xué)望遠(yuǎn)鏡元件（包括鏡子和科學(xué)儀器）和JWST遮陽板和航天器的太空船元件進(jìn)行了機(jī)械連接。盡管望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)部件都單獨(dú)測(cè)試過，但這標(biāo)志著這兩個(gè)部分次合并成一個(gè)天文臺(tái)。
這對(duì)于韋伯來說是一個(gè)重要的里程碑，因?yàn)檫@架望遠(yuǎn)鏡將在2021發(fā)射。JWST是有史以來強(qiáng)大、復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡——比哈勃望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)100倍。這架望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)目的是利用紅外線探索宇宙，它將使天文學(xué)家能夠觀測(cè)宇宙中遙遠(yuǎn)的物體，提供遙遠(yuǎn)恒星、系外行星和初形成的星系的圖像。
詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡利用紅外線將允許天文學(xué)家觀察宇宙中遙遠(yuǎn)的物體
望遠(yuǎn)鏡也是復(fù)合材料如何使衛(wèi)星和航天器運(yùn)轉(zhuǎn)的令人振奮的例子。望遠(yuǎn)鏡平臺(tái)由三個(gè)主要部件組成：光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組件（OTE）、綜合科學(xué)儀器模塊（ISIM）和太空飛行器組件（SCE），其中包括航天器總線和網(wǎng)球場(chǎng)大小的遮陽板。
JWST采用碳纖維背板來支撐望遠(yuǎn)鏡的鏡子、儀器和其他元件——總共超過2400公斤（2.5噸）的硬件。這種結(jié)構(gòu)還負(fù)責(zé)在長時(shí)間的光收集過程中保持望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定。盡管極端溫度在-406°F到-343°F（-243°C到-208°C）之間，背板的變化不能超過38納米。背板由預(yù)浸料制成，預(yù)浸料由Toray Advanced復(fù)合材料提供的高模量碳纖維和Hexcel的氰酸酯樹脂組成。該結(jié)構(gòu)包括10000多個(gè)輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料部件。整個(gè)背板結(jié)構(gòu)包括部分、機(jī)翼組件和背板支撐固定裝置（BSF），完全展開時(shí)尺寸約為24英尺高19.5英尺寬11英尺深（7.3×5.9×3.4米），它的重量只有2180磅（989公斤），但將支持重量超過7300磅（3311公斤）的儀器-有效載荷超過其自身重量的300%。
除了主鏡和背板結(jié)構(gòu)外，JWST的OTE還包括其可展開塔架組件（DTA）、輔助鏡支撐結(jié)構(gòu)和用于容納望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)儀器和冷卻系統(tǒng)的ISIM框架。這些結(jié)構(gòu)都是有Toray Advanced Composites生產(chǎn)的超高模量碳纖維和氰酸酯樹脂的預(yù)浸料制成。
SCE或稱航天器總線也由Toray的碳纖維復(fù)合材料制成，包含了航天器的推進(jìn)系統(tǒng)、天文臺(tái)支持系統(tǒng)、太陽能、主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。該巴士必須同時(shí)重量輕，在發(fā)射過程中支撐天文臺(tái)的同時(shí)必須能夠承受相當(dāng)于45噸的力。2019年10月，JWST成功通過遮陽板部署測(cè)試，目前計(jì)劃于2021年發(fā)射。
5、結(jié) 束 語
未來幾年將為一個(gè)全新的太空探索時(shí)代奠定基礎(chǔ)。隨著這個(gè)新黃金時(shí)代所需的航天器和系統(tǒng)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料供應(yīng)商和制造商將不斷面臨挑戰(zhàn)，將材料和技術(shù)推向新的極限。
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