盤點近年來碳纖維復合材料在太空計劃中的應用
2019年7月20日是阿波羅登月50周年紀念日。雖然在建造阿波羅太空艙時，復合材料工業還處于起步階段，而且材料尚未實現廣泛應用，但阿波羅太空艙采用了早期的復合材料技術，如由Avcoat制成的燒蝕式隔熱罩。
Avcoat是一種環氧-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到一級結構上，并將糊狀材料分別注入每個單元。自阿波羅登月以來，先進復合材料得到了突飛猛進的發展，在運載火箭、航天飛機、衛星、空間望遠鏡和國際空間站等航天項目中發揮了重要作用。
阿波羅號的隔熱罩是由環氧-酚醛樹脂制成的
如今人類發現自己已經為太空探索邁出了激動人心的新步伐。美國現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人類太空探索計劃的預算超過250億美元。除了再次登陸月球外，NASA目前和即將執行的任務是研究太陽系，從太陽到外層行星和更遠地區的冰冷衛星。
探索太陽的任務目前正在進行中，在撰寫本文時，Parker太陽探測器目前正在監測太陽的大氣層，并且一個太陽軌道飛行器已經成功發射。此外，還正在努力通過過境的系外行星測量衛星（TESS）任務和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡進一步探索系外行星和遙遠星系。
近年來，由于和國際空間機構以及商業公司之間的合作不斷加強，新的航天器和項目也產生了成果。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奪自停飛以來美國次載人航天計劃。這兩家公司一直在與NASA進行試飛，希望在2021年完成載人飛行任務。從NASA的太空計劃得到越來越多的支持，到商業太空的爆炸式增長，人類似乎真的為下一個偉大的太空時代做好了準備。復合材料和先進材料在制造發射器、航天器和儀器方面發揮著越來越大的作用，使所有這些探索成為可能。
1、探 月 計 劃
使人類重返月球的總體計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，而且計劃的范圍很廣。阿耳特彌斯將建立一個月球軌道基地，使宇航員不僅可以進一步探索月球，還可以將月球作為終火星任務的前哨站。阿耳特彌斯計劃由幾個項目組成，包括一個稱為空間發射系統（SLS）的新型重型發射系統、獵戶座載人飛船、一個稱為網關的月球軌道空間站和一個月球著陸器。先進復合材料以某種方式融入所有這些組件。
1-1、航天發射系統
NASA的新型重型運載火箭旨在實現地球軌道以外的探測。2015年，NASA投資了一臺電子撞擊自動纖維放置（AFP）機，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構。AFP頭可容納多達16個碳纖維線軸，位于一個21英尺的機械臂末端，機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構。
即將運裝的Space Launch System (SLS)系統
RUAG Space使用手動鋪層工藝創建了類似的三明治結構。該公司正在與Dynetics合作開發一款通用舞臺適配器，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，包括四個復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艙組成，是阿耳特彌斯計劃的核心，將把宇航員送上太空，在太空旅行并將宇航員送回地球。
獵戶座飛船正在準備進行熱測試
獵戶座的推進系統包括許多由Aerojet Rocketdyne制造的部件，其中包括8個110磅推力的生物推進劑輔助發動機，這些發動機基于Rocketdyne航空噴氣發動機的R-4D發動機系列。Aerojet Rocketdyne還為航天器提供發射中止系統（LAS）拋射發動機和復合材料過振壓力容器。在2020年初，Aerojet Rocketdyne安裝了碳纖維纏繞機來生產固體。
Aerojet Rocketdyne正在使用新型碳纖維纏繞機生產固體火箭發動機殼體
對于重返大氣層，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構制造。然后，隔熱板覆蓋在Avcoat面板上，Avcoat是阿波羅任務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，用鈦螺栓將四個燒蝕材料壓縮墊固定在隔熱板上。壓墊必須能抵抗發射和上升過程中的結構載荷，以及分離兩個模塊時的高溫沖擊。它們還必須滿足再入對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飛行器，但在飛行后出現層間裂紋，并被稱為3D多功能燒蝕TPS（3D-MAT）的3D機織解決方案取代，該解決方案使用了Bally帶狀軋機的3D機織石英材料和Toray Advanced Composites的氰酸酯樹脂。
獵戶座壓縮墊
1-3、月球軌道平臺網關（LOP-G）
Gateway是一個月球軌道空間站，由NASA與俄羅斯、加拿大、日本和歐洲航天機構等國際合作伙伴共同開發。Gateway的作用是支持月球探測，并作為終火星任務的前哨站?？臻g站的各種模塊正在開發中，可能會以某種方式采用復合材料。由美國空軍研究實驗室和使用高應變復合材料（HSC）的可部署空間系統開發的推出式太陽能陣列（ROSA）將用于網關項目。
HSC是一種薄而輕的復合材料，設計用于裝入小包裝并通過展開而展開。ROSA系統使用兩個碳纖維HSC吊桿來展開和拉緊一個大型太陽能電池板對Gateway的另一個潛在貢獻是Canadarm-3。該裝置是由加拿大航天局提出的，由碳纖維復合材料制成長8.5米機器人手臂。以前的Canadarm系統已經用于航天飛機和國際空間站（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的概念，所有這些都包括潛在的復合材料。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一種擬議的三車登月系統：Blue Origin公司的Blue Moon登月車，諾斯羅普格魯曼公司提供的“轉移元件”車輛，用于定位著陸系統在月球軌道上，由洛克希德馬丁公司提供的“上升元件”運載工具將宇航員從月球表面返回月球軌道。Draper將提供一個下降制導系統和飛行電子設備。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計——一種新的探索艙外移動裝置（xEMU）和獵戶座宇航員生存系統（OCSS）宇航服，這兩種宇航服都將用于阿耳特彌斯計劃的登月任務。據報道，與目前用于艙外活動（EVA）的西服相比，xEMU西服的機動性大大提高。據與美國宇航局制造宇航服有著長期合作關系的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步行服的升級版，稱為Z-2。Z-2宇航服原型在設計中采用了碳纖維/環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動性范圍
NASA的OCSS宇航服是為獵戶座宇航員設計的加壓發射和進入服。雖然美國宇航局還沒有公布新設計中材料的細節，但可以肯定的是，其中涉及大量的復合材料。航天飛機時代的發射服和進入服的特點是杜邦阻燃間位芳綸Nomex外層。以前的艙外移動單元（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 劃
阿耳特彌斯計劃的很大一部分正在為將人類送往火星做準備。與此同時，NASA也在為今年夏天的無人火星任務而努力，該任務將在這顆紅色星球上建立一個新的機器人探測器和一架機器人探索直升機。一個膠囊狀的氣動外殼將在火星進入大氣層和著陸時保護火星2020探測器。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）熱保護系統。
這種飛機外殼的設計目的是在火星探測器進入大氣層和著陸時保護它
火星2020探測器本身長約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節，但據了解，高級復合材料培訓公司擔任了美國航天局噴氣推進實驗室的顧問，負責使用復合材料建造火星2020探測器。
火星2020探測器的重量將低于普通的小型車
在2314磅（1050公斤）的重量，流動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，還需要足夠堅固，能夠攜帶相機和科學儀器，以及火星直升機——這是另一種復合材料密集型飛行器，將用于探索這顆星球?；鹦侵鄙龣C由1500多塊碳纖維、飛行級鋁、硅、銅、箔和泡沫組成，重量不超過4磅（1.8公斤）。
火星直升機制造過程中使用了1500多塊碳纖維結構件
3、太 陽 計 劃
目前正在進行兩項任務，以提高我們對太陽及其行為的認識，這兩項任務的終目標都是預測可能影響地面電力系統、衛星通信和定位系統的太陽風暴。
3-1、帕克太陽探測器
帕克太陽探測器于2018年8月發射升空，并進行原位測量和成像，以研究太陽日冕和太陽風。為了承受這一地區的極端溫度，探測器采用了4.5英寸厚的輕質反光罩。這種熱保護系統（TPS）是由夾在兩層碳層壓板之間的碳纖維復合泡沫材料制成，并在朝著太陽表面涂上白色陶瓷漆。防護罩由約翰霍普金斯應用物理實驗室設計，并在美國碳纖維先進技術公司建造。探測器的大部分儀器都藏在熱防護罩后面，沿著熱防護罩邊緣的傳感器保持航天器的正確位置。為飛船提供動力的太陽能電池板可以縮回隔熱罩的陰影中進行保護。一個簡單的冷卻系統通過循環大約一加侖的水來運行，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，美國宇航局報告稱，帕克太陽探測器在第四次接近太陽（即近日點）后按設計運行。飛船的熱防護系統達到了1134華氏度（612攝氏度）的新紀錄溫度，盡管這個防護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月發射的一項合作任務。軌道飛行器正處于一條獨特的軌道上，這將使它的綜合儀器能夠提供有史以來張太陽兩極的圖像。
航天器由一個碳纖維復合材料/鈦層太陽屏蔽層保護，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，由輕質鋁蜂窩和兩層高導熱碳纖維蒙皮制成。進一步的保護是由多層絕緣材料提供的，能夠承受572華氏度（300攝氏度）。
碳纖維復合材料/鈦層太陽屏蔽層保護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施工程師次將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）光學望遠鏡元件（包括鏡子和科學儀器）和JWST遮陽板和航天器的太空船元件進行了機械連接。盡管望遠鏡的兩個部件都單獨測試過，但這標志著這兩個部分次合并成一個天文臺。
這對于韋伯來說是一個重要的里程碑，因為這架望遠鏡將在2021發射。JWST是有史以來強大、復雜的太空望遠鏡——比哈勃望遠鏡強100倍。這架望遠鏡的設計目的是利用紅外線探索宇宙，它將使天文學家能夠觀測宇宙中遙遠的物體，提供遙遠恒星、系外行星和初形成的星系的圖像。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡利用紅外線將允許天文學家觀察宇宙中遙遠的物體
望遠鏡也是復合材料如何使衛星和航天器運轉的令人振奮的例子。望遠鏡平臺由三個主要部件組成：光學望遠鏡組件（OTE）、綜合科學儀器模塊（ISIM）和太空飛行器組件（SCE），其中包括航天器總線和網球場大小的遮陽板。
JWST采用碳纖維背板來支撐望遠鏡的鏡子、儀器和其他元件——總共超過2400公斤（2.5噸）的硬件。這種結構還負責在長時間的光收集過程中保持望遠鏡的穩定。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。背板由預浸料制成，預浸料由Toray Advanced復合材料提供的高模量碳纖維和Hexcel的氰酸酯樹脂組成。該結構包括10000多個輕質碳纖維復合材料部件。整個背板結構包括部分、機翼組件和背板支撐固定裝置（BSF），完全展開時尺寸約為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%。
除了主鏡和背板結構外，JWST的OTE還包括其可展開塔架組件（DTA）、輔助鏡支撐結構和用于容納望遠鏡的科學儀器和冷卻系統的ISIM框架。這些結構都是有Toray Advanced Composites生產的超高模量碳纖維和氰酸酯樹脂的預浸料制成。
SCE或稱航天器總線也由Toray的碳纖維復合材料制成，包含了航天器的推進系統、天文臺支持系統、太陽能、主動冷卻系統和通信系統。該巴士必須同時重量輕，在發射過程中支撐天文臺的同時必須能夠承受相當于45噸的力。2019年10月，JWST成功通過遮陽板部署測試，目前計劃于2021年發射。
5、結 束 語
未來幾年將為一個全新的太空探索時代奠定基礎。隨著這個新黃金時代所需的航天器和系統的不斷發展，復合材料供應商和制造商將不斷面臨挑戰，將材料和技術推向新的極限。
