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纤维复合材料的航天应用及实例

   日期:2020-06-28     来源:《纤维复合材料》    浏览:378    
核心提示:航天飞行器和运载火箭对重量的敏感度更胜于航空器,一般来讲每千克的载荷大约需要500kg的火箭燃料,因此达成每- -克减重效果的方
航天飞行器和运载火箭对重量的敏感度更胜于航空器,一般来讲每千克的载荷大约需要500kg的火箭燃料,因此达成每- -克减重效果的方案都是值得一试的。在人类征服太空的历程中,先进复合材料屡建奇功,现在已经成为这一-领域重要的主体结构材料。航天首要的是解决运载工具的问题,而运载I具不可或缺的是燃料。一般来讲,运载火箭自重(不包括燃料)60%来自于燃料罐和氧化剂罐,传统的制罐材料是铝合金,如果换为碳纤维复合材料,

可以减重30%,这样可以大大增加有效载荷,或者在同样载荷下减少-个推进发动机或一个助推火箭,意义重大。所以,近年来美国致力于发展这项技术, 2012NASA和波音的工程师采用美国氰特公司的新型非热压罐碳纤维复合材料,成功地设计制造了直径为5.5m的低温燃料罐( cryotank),这是迄今为止最大的火箭推进剂罐,如图1-6所示。值得一提的是,与DeltaIV-LH2铝合金罐相比,他们不仅实现了减重43%的目标,而且通过这种新方法减少制造成本25% (800万美元)。目前,他们正在努力实现10m直径的新目标。运载火箭的主要任务是将设备或人员送上太空轨道或其他星体,如月球和火星等。其中,卫星是目前最主要的太空设备,在各种卫星中,为了实现减重的目标,几乎没有不使用先进复合材料的地方。例如,载有太阳能设备的卫星或空间探测器,其太阳翼框架几乎都是采用碳纤维复合材料制造。国际空间站( international space station)是另一个应用先进复合材料的典范。在这个庞大的太空设备中,除了支撑8对共3000m2太阳翼的框架外,空间站几乎所有的桁架结构和压力容器都是碳纤维复合材料。中国的天宫一号空间站也充分利用了先进复合材料,它的许多结构件,包括推进舱、光学仪器安装台等,都有碳纤维复合材料的身影。

 

复合材料的功能常常是多方面的,这在太空应用中尤其明显,值得一提的是哈勃望远镜。这台功勋卓著的太空望远镜,其最精密的光学设备舱就是采用碳纤维环氧树脂复合材料制成,除了利用其减重的效果,还利用了碳纤维复合材料在经向的热膨胀系数几乎为零的特点,确保光学部件在太空的巨大温差条件下保持完美的聚焦精度。而美国的航天飞机(也称太空梭space shuttle )外部隔热板采用碳/碳复合材料,则是利用其优良的导热性和耐烧蚀性。

 

 

 


近年来,美国和西方国家的民间太空计划在政府的鼓励下发展势头良好,未来的近地太空任务将逐步由民间公司和机构来完成,而政府机构,如美国NASA的主要任务将转向更高级的层次(如登月)或外太空探索(如火星探索和登陆计划)。位于美国加州的太空X公司( SpaceX)就是在这种背景下由传奇人物Elon Musk2002年建立的,该公司2012年成功使用它的猎鹰( Falcon )火箭将他们的龙飞船( DragonX)和一-批重达400kg的设备送到了国际空间站,成为第一个到达国际空间站的私人飞行器。该公司已经同NASA签订了价值16亿美元的合同,在航天飞机退役之后承担在2013- -2017年向国际空间站运送人员物资的13次飞行任务。该公司还计划在未来20年实现地球到火星的商业旅游。可以预见,这些进展以及雄心勃勃的计划将会是先进复合材料技术得到进一步提升的新的契机。美国太空飞机( spaceplane )是另-一个很好的例子,以2003年首飞的太空飞船一号( Spaceship One )为代表,它可以视为航天飞机的升级简化版,采用母机投放与火箭推进器结合,这种太空飞机从结构上几乎全部由先进复合材料制成,其发射和运行比航天飞机便宜很多,它后续的太空飞船_二号( Spaceship Two )也是如此。本来计划在2015年春通过太空飞船二号实现首次商业化载人太空旅行,但是20141031日,太空飞船二号在进行飞船释放试飞中,与母机分离不久就发生了爆炸,坠毁在美国加州的莫哈维沙漠,两名太空飞行员- -- -伤,爆炸原因是飞行员在没有达到既定马赫数时提前解锁了飞船的活动“羽毛”尾翼。这个变故虽然会推迟原定的载人太空旅行时间,但飞船的拥有者维京星际公司表示第二艘太空飞船二号样机的制造已经完成了80% ,很快就能继续完成飞行测试任务。图1-7所示为太空飞船二二 号及其投放母机。

作为美国新代载人航天器的猎户座飞船( Orion )不仅是美国新登月计划的运载工具,也将是近地轨道之外的外太空探索计划的主力飞船。根据NASA的资料,其先进性标志之-就是在其设计制造中大量使用先进复合材料,例如各种功能舱的结构件(composite structures )和复合材料隔热层,如图1-8所示。

在外太空( deep space )的各种无人探测器上,都有大量的先进复合材料。最新一代的火星探测器好奇号( Mars Curiosity Rover )上,除了传统的复合材料结构件和光学基座外,其太阳能板框和隔热防护层也是碳复合材料。
 
 
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