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盘点近年来碳纤维复合材料在太空计划中的应用

   日期:2020-04-02     浏览:2457    
2019年7月20日是阿波罗登月50周年纪念日。虽然在建造阿波罗太空舱时,复合材料工业还处于起步阶段,而且材料尚未实现广泛应用,但阿波罗太空舱采用了早期的复合材料技术,如由Avcoat制成的烧蚀式隔热罩。

Avcoat是一种环氧-酚醛树脂制成,其二氧化硅纤维位于玻璃纤维/酚醛树脂蜂窝基体中。它通过将玻璃纤维蜂窝状物粘结到一级结构上,并将糊状材料分别注入每个单元。自阿波罗登月以来,先进复合材料得到了突飞猛进的发展,在运载火箭、航天飞机、卫星、空间望远镜和国际空间站等航天项目中发挥了重要作用。


阿波罗号的隔热罩是由环氧-酚醛树脂制成的

如今人类发现自己已经为太空探索迈出了激动人心的新步伐。美国现任政府呼吁美国宇航员在2024年前重返月球,并宣布2021年美国国家航空航天局NASA人类太空探索计划的预算超过250亿美元。除了再次登陆月球外,NASA目前和即将执行的任务是研究太阳系,从太阳到最外层行星和更远地区的冰冷卫星。

探索太阳的任务目前正在进行中,在撰写本文时,Parker太阳探测器目前正在监测太阳的大气层,并且一个太阳轨道飞行器已经成功发射。此外,还正在努力通过过境的系外行星测量卫星(TESS)任务和詹姆斯·韦伯空间望远镜进一步探索系外行星和遥远星系。

近年来,由于国家和国际空间机构以及商业公司之间的合作不断加强,新的航天器和项目也产生了成果。例如,拥有Crew Dragon航天器SpaceX和拥有Starliner航天器的波音航天正在争夺自停飞以来美国首次载人航天计划。这两家公司一直在与NASA进行试飞,希望在2021年完成载人飞行任务。从NASA的太空计划得到越来越多的支持,到商业太空的爆炸式增长,人类似乎真的为下一个伟大的太空时代做好了准备。复合材料和先进材料在制造发射器、航天器和仪器方面发挥着越来越大的作用,使所有这些探索成为可能。

1、探 月 计 划

使人类重返月球的总体计划是以希腊月亮女神阿尔特弥斯(Artemis)和阿波罗(Apollo sister)孪生姐妹亨特命名的,而且计划的范围很广。阿耳特弥斯将建立一个月球轨道基地,使宇航员不仅可以进一步探索月球,还可以将月球作为最终火星任务的前哨站。阿耳特弥斯计划由几个项目组成,包括一个称为空间发射系统(SLS)的新型重型发射系统、猎户座载人飞船、一个称为网关的月球轨道空间站和一个月球着陆器。先进复合材料以某种方式融入所有这些组件。

1-1、航天发射系统

NASA的新型重型运载火箭旨在实现地球轨道以外的探测。2015年,NASA投资了一台电子撞击自动纤维放置(AFP)机,用于制造大型火箭部件,包括直径超过8米、由碳纤维蒙皮和铝蜂窝芯制成的夹层结构。AFP头可容纳多达16个碳纤维线轴,位于一个21英尺的机械臂末端,机械臂将碳纤维以精确的模式放置在模具表面,以形成各种形状和尺寸的结构。


即将运装的Space Launch System (SLS)系统

RUAG Space使用手动铺层工艺创建了类似的三明治结构。该公司正在与Dynetics合作开发一款通用舞台适配器,将SLS的上层连接到猎户座船员舱。RUAG Space将制造适配器的直径为8.4米的外壳,包括四个复合材料蜂窝芯四分之一面板,这些面板将热粘合在一起。

1-2、猎户座多用途载人飞船

Orion猎户座由洛克希德马丁公司制造的指挥舱和欧洲航天局提供、空中客车国防与航天公司制造的服务舱组成,是阿耳特弥斯计划的核心,将把宇航员送上太空,在太空旅行并将宇航员送回地球。



猎户座飞船正在准备进行热测试

猎户座的推进系统包括许多由Aerojet Rocketdyne制造的部件,其中包括8个110磅推力的生物推进剂辅助发动机,这些发动机基于Rocketdyne航空喷气发动机的R-4D发动机系列。Aerojet Rocketdyne还为航天器提供发射中止系统(LAS)抛射发动机和复合材料过振压力容器。在2020年初,Aerojet Rocketdyne安装了碳纤维缠绕机来生产固体。



Aerojet Rocketdyne正在使用新型碳纤维缠绕机生产固体火箭发动机壳体

对于重返大气层,猎户座使用了洛克希德马丁公司制造的直径为5米的碳纤维隔热罩,该隔热罩采用碳纤维蒙皮和钛蜂窝芯的夹层结构制造。然后,隔热板覆盖在Avcoat面板上,Avcoat是阿波罗任务中使用的相同烧蚀材料。



猎户座的碳纤维隔热罩是用Toray Advanced Composites高压釜工艺制造的

在指挥模块与维修模块相连的位置处,用钛螺栓将四个烧蚀材料压缩垫固定在隔热板上。压垫必须能抵抗发射和上升过程中的结构载荷,以及分离两个模块时的高温冲击。它们还必须满足再入对耐高温和烧蚀的要求。碳纤维/酚醛树脂垫被用于首飞猎户座试验飞行器,但在飞行后出现层间裂纹,并被称为3D多功能烧蚀TPS(3D-MAT)的3D机织解决方案取代,该解决方案使用了Bally带状轧机的3D机织石英材料和Toray Advanced Composites的氰酸酯树脂。



猎户座压缩垫 

1-3、月球轨道平台网关(LOP-G)

Gateway是一个月球轨道空间站,由NASA与俄罗斯、加拿大、日本和欧洲航天机构等国际合作伙伴共同开发。Gateway的作用是支持月球探测,并作为最终火星任务的前哨站。空间站的各种模块正在开发中,可能会以某种方式采用复合材料。由美国空军研究实验室和使用高应变复合材料(HSC)的可部署空间系统开发的推出式太阳能阵列(ROSA)将用于网关项目。

HSC是一种薄而轻的复合材料,设计用于装入小包装并通过展开而展开。ROSA系统使用两个碳纤维HSC吊杆来展开和拉紧一个大型太阳能电池板对Gateway的另一个潜在贡献是Canadarm-3。该装置是由加拿大航天局提出的,由碳纤维复合材料制成长8.5米机器人手臂。以前的Canadarm系统已经用于航天飞机和国际空间站(ISS)。

1-4、月球着陆器

许多公司都在研究阿耳特弥斯登月系统的概念,所有这些都包括潜在的复合材料。例如,Blue Origin公司正在与洛克希德马丁公司、诺斯罗普格鲁曼公司和德雷珀公司合作开发一种拟议的三车登月系统:Blue Origin公司的Blue Moon登月车,诺斯罗普格鲁曼公司提供的“转移元件”车辆,用于定位着陆系统在月球轨道上,由洛克希德马丁公司提供的“上升元件”运载工具将宇航员从月球表面返回月球轨道。Draper将提供一个下降制导系统和飞行电子设备。其他几家从事月球着陆器概念研究的公司包括波音公司、动力公司、SpaceX公司和Sierra Nevada公司。

1-5、阿耳特弥斯西装

2019年10月,NASA公布了两种新的宇航服设计——一种新的探索舱外移动装置(xEMU)和猎户座宇航员生存系统(OCSS)宇航服,这两种宇航服都将用于阿耳特弥斯计划的登月任务。据报道,与目前用于舱外活动(EVA)的西服相比,xEMU西服的机动性大大提高。据与美国宇航局制造宇航服有着长期合作关系的ILC Dover(Frederica,Del.,U S.)称,xEMU宇航服是2016年交付给美国宇航局的一种高级步行服的升级版,称为Z-2。Z-2宇航服原型在设计中采用了碳纤维/环氧树脂躯干和臀部元素。



美国宇航局的新EVA套装提供了更好的机动性范围

NASA的OCSS宇航服是为猎户座宇航员设计的加压发射和进入服。虽然美国宇航局还没有公布新设计中材料的细节,但可以肯定的是,其中涉及大量的复合材料。航天飞机时代的发射服和进入服的特点是杜邦阻燃间位芳纶Nomex外层。以前的舱外移动单元(EMU)使用了Nomex、para aramid Kevlar和Gore-Tex的组合,Gore-Tex是一种防水、透气的织物膜,由W.L.Gore&Assoc.制造。

2、火 星 计 划

阿耳特弥斯计划的很大一部分正在为将人类送往火星做准备。与此同时,NASA也在为今年夏天的无人火星任务而努力,该任务将在这颗红色星球上建立一个新的机器人探测器和一架机器人探索直升机。一个胶囊状的气动外壳将在火星进入大气层和着陆时保护火星2020探测器。外壳由铝蜂窝和碳纤维蒙皮制成。隔热罩采用瓷砖酚醛浸渍碳烧蚀(PICA)热保护系统。



这种飞机外壳的设计目的是在火星探测器进入大气层和着陆时保护它

火星2020探测器本身长约10英尺,宽9英尺,高7英尺(长3米,宽2.7米,高2.2米)。虽然美国航天局还没有公布建造火星车所用材料的细节,但据了解,高级复合材料培训公司担任了美国航天局喷气推进实验室的顾问,负责使用复合材料建造火星2020探测器。



火星2020探测器的重量将低于普通的小型车

在2314磅(1050公斤)的重量,流动站将低于平均小型车。它需要既轻又耐用,才能前往这颗红色星球,还需要足够坚固,能够携带相机和科学仪器,以及火星直升机——这是另一种复合材料密集型飞行器,将用于探索这颗星球。火星直升机由1500多块碳纤维、飞行级铝、硅、铜、箔和泡沫组成,重量不超过4磅(1.8公斤)。



火星直升机制造过程中使用了1500多块碳纤维结构件

3、太 阳 计 划

目前正在进行两项任务,以提高我们对太阳及其行为的认识,这两项任务的最终目标都是预测可能影响地面电力系统、卫星通信和全球定位系统的太阳风暴。

3-1、帕克太阳探测器

帕克太阳探测器于2018年8月发射升空,并进行原位测量和成像,以研究太阳日冕和太阳风。为了承受这一地区的极端温度,探测器采用了4.5英寸厚的轻质反光罩。这种热保护系统(TPS)是由夹在两层碳层压板之间的碳纤维复合泡沫材料制成,并在朝着太阳表面涂上白色陶瓷漆。防护罩由约翰霍普金斯应用物理实验室设计,并在美国碳纤维先进技术公司建造。探测器的大部分仪器都藏在热防护罩后面,沿着热防护罩边缘的传感器保持航天器的正确位置。为飞船提供动力的太阳能电池板可以缩回隔热罩的阴影中进行保护。一个简单的冷却系统通过循环大约一加仑的水来运行,也被用来保持太阳能电池板和仪器的冷却。



Parker Solar Probe的碳纤维复合泡沫TPS旨在承受太阳电晕的热量

2019年1月,美国宇航局报告称,帕克太阳探测器在第四次接近太阳(即近日点)后按设计运行。飞船的热防护系统达到了1134华氏度(612摄氏度)的新纪录温度,尽管这个防护隔热罩后面的航天器和仪器保持在大约85华氏度(30摄氏度)的温度。在2024年至2025年航天器最近的三次近距离飞行期间,TPS的温度将在2500华氏度(1370摄氏度)左右。

3-2、太阳轨道器

太阳轨道飞行器是欧洲航天局(ESA)和美国宇航局(NASA)于2020年2月发射的一项合作任务。轨道飞行器正处于一条独特的轨道上,这将使它的综合仪器能够提供有史以来第一张太阳两极的图像。

航天器由一个碳纤维复合材料/钛层太阳屏蔽层保护,该屏蔽层带有用于各种仪器的开口。324磅的隔热板可以承受高达970华氏度(521摄氏度)的温度,并使用0.05毫米厚的一层钛箔来反射热量。防护罩由2.94×2.56米的支撑板支撑,支撑板厚度约5厘米,由轻质铝蜂窝和两层高导热碳纤维蒙皮制成。进一步的保护是由多层绝缘材料提供的,能够承受572华氏度(300摄氏度)。



碳纤维复合材料/钛层太阳屏蔽层保护太阳轨道飞行器免受太阳热量的影响

4、太 阳 系 以 外

2019年8月,诺斯罗普·格鲁曼公司位于美国加利福尼亚州雷东多海滩的设施工程师首次将詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)光学望远镜元件(包括镜子和科学仪器)和JWST遮阳板和航天器的太空船元件进行了机械连接。尽管望远镜的两个部件都单独测试过,但这标志着这两个部分首次合并成一个天文台。

这对于韦伯来说是一个重要的里程碑,因为这架望远镜将在2021发射。JWST是有史以来最强大、最复杂的太空望远镜——比哈勃望远镜强100倍。这架望远镜的设计目的是利用红外线探索宇宙,它将使天文学家能够观测宇宙中最遥远的物体,提供遥远恒星、系外行星和最初形成的星系的图像。



詹姆斯韦伯太空望远镜利用红外线将允许天文学家观察宇宙中最遥远的物体

望远镜也是复合材料如何使卫星和航天器运转的令人振奋的例子。望远镜平台由三个主要部件组成:光学望远镜组件(OTE)、综合科学仪器模块(ISIM)和太空飞行器组件(SCE),其中包括航天器总线和网球场大小的遮阳板。

JWST采用碳纤维背板来支撑望远镜的镜子、仪器和其他元件——总共超过2400公斤(2.5吨)的硬件。这种结构还负责在长时间的光收集过程中保持望远镜的稳定。尽管极端温度在-406°F到-343°F(-243°C到-208°C)之间,背板的变化不能超过38纳米。背板由预浸料制成,预浸料由Toray Advanced复合材料提供的高模量碳纤维和Hexcel的氰酸酯树脂组成。该结构包括10000多个轻质碳纤维复合材料部件。整个背板结构包括中央部分、机翼组件和背板支撑固定装置(BSF),完全展开时尺寸约为24英尺高19.5英尺宽11英尺深(7.3×5.9×3.4米),它的重量只有2180磅(989公斤),但将支持重量超过7300磅(3311公斤)的仪器-有效载荷超过其自身重量的300%。

除了主镜和背板结构外,JWST的OTE还包括其可展开塔架组件(DTA)、辅助镜支撑结构和用于容纳望远镜的科学仪器和冷却系统的ISIM框架。这些结构都是有Toray Advanced Composites生产的超高模量碳纤维和氰酸酯树脂的预浸料制成。

SCE或称航天器总线也由Toray的碳纤维复合材料制成,包含了航天器的推进系统、天文台支持系统、太阳能、主动冷却系统和通信系统。该巴士必须同时重量轻,在发射过程中支撑天文台的同时必须能够承受相当于45吨的力。2019年10月,JWST成功通过遮阳板部署测试,目前计划于2021年发射。

5、结 束 语

未来几年将为一个全新的太空探索时代奠定基础。随着这个新黄金时代所需的航天器和系统的不断发展,复合材料供应商和制造商将不断面临挑战,将材料和技术推向新的极限。



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