复合材料在航天器结构上的运用.docx

复合材料在航天器结构上的应用
邹胜宇
哈尔滨工业大学机电学院 0608301班 1060830126

摘要：发展航天技术主要依靠先进的材料和技术,复合材料的出现使得航天器实现高性能、高可靠性、轻量化、低成本，以达到大量发射和应用航天器，提高效费比，从而实现新时期发展航天技术的战略目的。本文将介绍复合材料在多种航天器上的应用近况，以及复合材料结构未来发展前景。
关键词：复合材料 航天器 结构

Application of Composites in Spacecraft Structures
ZouShengyu
School of Mechanical and Electronic in HIT Class0608301 NO.1060830126
Abstract: The development of space technology mainly depends on advanced materials and advanced technology, the emergence of composite materials made spacecraft to achieve high performance, high reliability, lightweight, low-cost, to reach a large number of applications and launch a spacecraft to enhance cost-effective, to achieve a strategic purpose of space technology development during the new time. This article will introduce the composite materials in a variety of spacecraft on the current application, as well as the development of composite structure in future.
Key words: Composite materials Spacecraft Structures

1 引言
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一个材料。复合材料可保留组分材料的主要优点，克服或减少组分材料的缺点，还可能产生组分材料所没有的一些优异性能。因此，它们作为一类新型的工程材料，已得到了广泛的应用和发展。航天器结构所用复合材料，主要由增强作用的主要材料，影响着复合材料的主要性能，如密度、刚度、线膨胀系数和成本；基体可采用塑料（树脂材料）或金属材料，目前多采用树脂材料，它起着支撑增强体，保护增强体，保持复合材料形状等作用；界面层是包覆在增强体外面的涂层，其功能是传递载荷，同时防止基体对增强体的损伤，确保增强体作用发挥。这类复合材料称为纤维复合材料。在航天器中广泛应用的有以下几种纤维：玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉纤维、硼纤维。基体材料主要有环氧树脂和金属。根据复合材料的各种优异性能，如轻质高强，耐高温等，被广泛应用航天器结构中，载航天器结构应用中所起的作用可分为结构材料和功能材料两大类。主要应用在人造卫星、宇宙飞船、空间站、航天飞机以及导弹的各种机构中。

2 复合材料在航天器结构的应用现状
2.1 在导弹与火箭结构上的应用
对导弹与火箭，质量轻重直接影响其航程与成本，通常, 固体洲际导弹的第三级发动机每减轻质量1kg就可增加近60km的射程,火箭的质量每减轻1kg, 其发射费用可以节约15000美元，由此可见减小其质量的重要性。
洲际导弹和远程导弹由于高速飞行弹头处于高温，所以烧蚀严重，必须采用防烧蚀的材料。碳纤维增强碳基复合材料，主要用在洲际导弹或远程导弹头部烧蚀防热头锥。碳纤维三个方向或多个方向编织，作为复合材料的增强体，然后用化学沉淀或浸渍沥青的方法填充织物空隙，最后在一定压力下高温石墨化而成，具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因而被广泛应用于火箭壳体、导弹头锥、火箭喷管等耐高温结构中。主要用于次受力结构,如弹头烧蚀防热层,随着火箭和导弹技术的发展,以及复合材料的进展,先进的复合材料已广泛用于承载结构,如火箭发动机壳体等，石墨/ 环氧复合材料大大减轻了导弹或火箭的质量。例如1987 年美国飞马运载火箭竟研制出完全复合材料的火箭,它的各级发动机、壳体、机翼尾翼、整流罩全部都使用了复合材料。美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一4 火箭、法国的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽T-800 纤维，抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa[3]。

图1美国大力神战略弹道导弹（转载 林德春等
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用）

另外，我国各类战略和战术导弹上也大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、整流罩防热材料。我国九十年代后期开展了纤维增强复合材料材料壳体的研究，进行了T300 CFRP（凯芙拉纤维）固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核;完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验，开展了T800 碳纤维CFRP多种壳体的预研实验。

图 2 我国东风系列地地导弹（转载 林德春等
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用）

2.2 在人造卫星结构上应用
卫星在轨道运行时所处的环境与大气层环境截
然不同,这些环境有超高真空,可导致材料放气,污染卫星上的光学仪器表面使材料性能退化;辐射,会使所用材料劣化或表面层破坏;陨石或太空碎片撞击,使表面材料破坏,这些问题都是选材时应予考虑的。
复合材料在卫星结构上已广泛应用达万件之多,除了它的轻质高强特性外,更能确保尺寸稳定性和刚性,作为第一设计条件通过碳纤维环氧树脂的线膨胀和合理的铺层设计,可将复合材料的线膨胀系数缩小到接近零位,以确保构件的尺寸稳定性。由于卫星的喇叭天线暴露于太阳直射下,温度达160 ℃,而进入地球阴影内时则为- 160 ℃,反复冷热交变循环,这就必须减少热变形,才能保证天线镜面的精度,卫星中的太阳能电池板广泛地使用了绝缘的芳纶纤复合材料面板制作的各种蜂窝构件。还有通讯卫星推力管和支撑管也都普遍的应用了复合材料,实现了轻量化的效果。
就如我国首颗月球探测卫星嫦娥一号，支撑卫星发动机的桁架结构，要求材料轻，质量可靠，稳定性好，并且其结构复杂。经过长达4年的研制，科研人员研制出三围编织碳纤维复合材料制造这种桁架结构。首先利用特殊的三维立体编织工艺将碳纤维织造出仿形的复合材料制作的增强体，再采用特殊工艺注入树脂，然后固化成型制成最终使用的结构，使得嫦娥一号重量减轻，减少了发射成本，增大了有效载荷。

2.3 在宇宙飞船结构的应用
发射宇宙飞船时,火箭通过大气层飞向太空,以及返回舱再入时，由于表面与大气层摩擦温度很高,因此要在指令舱外侧使用酚醛树脂处理的石墨纤维/ 聚酰亚胺复合板作为烧蚀绝热材料(可保证飞行器内仪器和操作人员正常工作) ,内部使用酚醛- 环氧黏合的复合材料蜂窝结构夹层, 阿波罗飞船在月球着陆用的发动机, 氧燃烧时的火焰温度高达1000 ℃,它的燃烧室就用高硅氧增强酚醛树脂制成的,而喷管是由玻璃纤维增强环氧树脂制成的。
从1996年11月20日的“神州一号”升空开始到“神州七号”上天，中国在十年多的时间里七次飞天。在飞船、返回舱中大量使用的碳纤维复合材料代替了载人飞船最高水平的前苏联的联盟号飞船使用的是铝合金结构，碳纤维复合材料推进舱主承力结构、返回舱结构支板、轨道舱支板、气瓶支架、波导元件、伸展天线等结构件，由于这些高性能复合材料结构件的采用为神舟号飞船减负30%，大大增加了有效载荷，并保持在空间激烈交变的温度环境下结构尺寸的稳定性，提高了推进系统的精度。

图3 神舟七号飞船轨道舱结构图（转载

2.4 在航天飞机结构应用
航天飞机是宇宙空间站和地球之间来回飞行的
联络工具,一般要求在10 年内来回飞行100 次,考
虑要经过大气层约20 min , 在其上升、入轨和再入的飞行过程中要经受严重的热、振动、嗓声、冲击等复杂环境的影响, 其中最苛刻的条件是从轨道上以高超音速返回大气层做再入飞行时遇到的强烈的气动加热, 由于受空气摩擦温度高达2000 ℃， 因此需要采用防热系统对机体结构加以保护, 防止它因高温而烧毁, 对材料提出了更加严格的要求。以美国航天飞机为例，表面70﹪都覆盖了抗氧化C/C薄壳热结构（防热瓦），主框元件采用硼纤维增强铝合金材料,载荷舱门系用碳纤复合材料层压板与Nomex 纸芯材构成的大型蜂窝构件,长度1813 m ,弧长416 m 的夹层结构,据说是目前最大的碳纤复合材料构件。航天飞机上的加拿大用复合材料制成长度为15 m ,直径为38 cm ,自重为411 kg 的机械臂构件,在太空中可搬运29 t 的重物。在航天飞机的机翼前缘、副翼、襟翼、方向舵等部位都采用了石墨/ 聚酰亚胺复合材料可比使用铝合金材料减轻26 %。
除美国外，其他各国的航天飞机在防热结构上都采用了复合材料。如前苏联的暴风雪号航天飞机、欧洲Hermen号航天飞机等都采用了抗氧化C/C薄壳热结构或抗氧化结构防热瓦。

图4美国发现号航天飞机（转载

表1 航天飞机机身、襟翼轻量化（摘自甄华生 复合材料在航天器中的应用近况）
材 料
结构质量
/kg
热防护质量
/kg
总质量
/kg
铝合金
204
396
600
石墨/聚酰亚胺
161
279
440
减 重

43

117

160

2.5 在空间站结构的应用
空间站是在太空中建立的永久性载人天基设施，因此各种恶劣的空间环境是一个很大的考验。如：
（一）高真空环境可能引起物质挥发、出气及冷焊；
（二）太阳辐照及温度交变能引起有机材料化学降解、物质反应速度加快或减慢、导致机械强度降低、疲劳或脆裂；
（三）紫外线辐照可引起在晶体材料中产生晶格缺陷, 某些有机物进一步交链或断链、退色、降解；
（四）带电粒子辐射除能引起如紫外辐照所能引起的反应外, 还有可能导致二次辐射；
（五）等离子体效应可能导致空间站表面材料带电, 使绝缘材料被击穿；
（六）微流星体和空间碎片能撞碎或击穿空间站表面；
（七）原子态氧辐照能使材料表面被强烈氧化剥蚀, 特别是对于树脂基复合材料腐蚀相当严重[2]。
所以对其所选用的材料除考虑高强度、高模量和质轻以外, 还要考虑其能承受空间环境对材料的作用和影响, 如热膨胀系数小、耐疲劳、耐辐照、耐撞击、耐腐蚀、不挥发、不冷焊和长寿命等。一般认为空间站将广泛采用金属基和树脂基复合材料。
考虑到空间站随时都有可能受到空间碎片和微流体对钛合金压力容器可减轻大约25%～50%; 3)可靠性高,失效模式安全,具有“爆破前先泄漏”( LBB) 的失效模式; 4) 疲劳寿命长; 5) 抗应力断裂性能强。
空间站的天线系统，采用了金属基复合材料具有较高的热变形从度, 低的膨胀系数, 尺寸稳定性好, 所以空间站结构, 特别是用碳铝、碳了镁等金属基复合材料。还有，桁架结构是空间站上一种重要的结构，其中的主要构件就是复合材料管。这是因为复合材料管具有质量轻、比刚度大、空间便于拆卸的优点。最常用的是石墨-环氧树脂复合材料管。
由于空间恶劣的环境，因此对于空间站结构所用复合材料一定要在表面涂有具有长时间抗原子氧及带电粒子辐照的能力, 好的热稳定性及一抗微粒子撞击的能力的防护材料, 另外, 由子, 宇航员在太空中进行舱外修补涂层是很困难的, 因此涂层要有长的寿命，在此不做详细介绍[5]。

3 复合材料在航天器结构的发展前景
复合材料是航天工业中必需的材料，在未来二、三十年,高技术宇航产品将在信息技术、材料技术、生物技术的新技术革命推动下,本人相信复合材料有更加全面的发展与应用，主要研究方向应在：
1.金属基复合材料的研究；
2.纳米型复合材料的研究；
3.新型功能梯度复合材料的研究。
复合材料的特点在于它不仅能保持原组分的特色, 而且还可通过复合效应使之具有原组分材料所不具备的性能。与铝合金相比, 复合材料不仅具有质量轻、比强度高、比模量高、热膨胀系数近于零等优点, 而且可按航天器实际受力情况进行设计, 因而可以减少零部件数量, 节约原材料, 从而达到减轻质量的目的。研制复合材料结构件费用上虽然比金属件高些, 但这不是主要的。在航天器研制中, 航天器主要结构的研制费用仅占航天器整个计划费用的一小部分, 由此增加的费用完全可以忽略不计。
鉴于复合材料优点明显, 在航天器结构中的应用越来越广泛, 不少国外专家认为, 在未来的航天领域, 先进复合材料会逐渐取代铝合金等金属材料, 成为航天器的主要结构材料之一。

参考文献：
[1] 金永德. 导弹与航天技术概论 哈尔滨工业大学出版社 2002.8；
[2] 黄本城. 空间环境工程学 宇航出版社 1993.3；

[3] 林德春等. 碳纤维复合材料在航空航天领域 2007年第1期；
[4] 赵 翔. 全复合材料航天器结构探讨 航天返回与遥感 1998.3；
[5] 陈 铮. 国外空间站材料发展动向 宇航材料工艺 1990年第1期；
[6] 陈烈民. 航天器结构与机构 中国科学技术出版社
2005年1月；
[7]M. Tupper, N. Munshi, F.Beavers, K.Gall, M.Mikulas
Developments in Elastic Memory Composite Materials for Spacecraft Deployable Structures IEEE 2001年；
[8]N.Davinic,B.Brauni,W.Simon, J.Haughtons Use Of Advanced Composite Materials in Spacecraft Structural Design American Institute Of Aeronautics and Astronautics .