超长复合材料应变能杆件连续自动化成型技术及应用(上)

  采用先进复合材料制造的应变能杆依靠收拢储存的应变能可自动伸展形成可起支撑作用的超长构件,这种构件具有收拢体积小和展开刚度大的优点,便于航天器发射时携带。特别是卫星天线和星际探测器的太阳帆尺寸要求越来越大,复合材料应变能杆因其突出优势在这些超大展开部件上有着广泛的应用前景。目前,单根应变能杆的长度已达30多米,未来将更长,这就对其制造技术提出更高的要求,复合材料连续自动化成型技术将成为其工程应用的重要的解决方案之一。
  随着人类探索宇宙深度的增加,卫星、飞船和星际探测器等航天器的天线尺寸要求越来越大。此外,太阳帆(光帆)已被视为进行深空探测和星际探测的理想推进机构。太阳帆是以太阳的辐射压做为探测器的推进力,由于辐射压非常小,所以要求太阳帆的面积非常大,大型太阳帆的面积要求10000多m2。航天器的天线结构和太阳帆在发射到预定轨道之前是收紧在一个较小容器中,等发射到预定轨道后再进行展开。早期的卫星天线是采用机械机构进行展开的,结构复杂,重量较大。20世纪80 年代以来,美国、欧洲、日本等相继开始研究利用薄膜技术和复合材料结构来实现可收拢和展开的大型化和轻量化空间结构。
  20世纪90年代,欧洲航天局(ESA)和德国宇航中心(DLR)提出采用碳纤维增强复合材料应变能杆作为桅杆,对角撑开太阳帆薄膜的太阳帆总体方案,并进行了20m×20m太阳帆的地面展开试验(图1)。复合材料应变能杆是由两个Ω形复合材料应变能构件(图2 (a))胶接而成,可以在外力作用下压扁并收卷成特定的形状(图2(b)),在自由状态下时依靠收卷变形储存的应变能,可展开成杆结构(图2(c))。
      
      
  近年来,随着波音787、空客350等大型复合材料结构的航空器陆续投入商业运行,标志着先进复合材料结构研制日益走向大型化和经济型——从力学性能的大化转向通过低成本技术来获得经济上可承受的结构,这一过程的转变与先进复合材料的自动化制造技术的发展是有着密切的关系。预浸料自动成型技术,包括自动铺带技术(ATL)和自动纤维铺放技术(AFP)和先进拉挤(ADP)等为核心的自动化制造技术成为发展的重要方向之一。目前发达在航空航天复合材料制造中广泛采用的自动化技术,采用预浸料和数字化设计与自动化制造超大、低成本先进复合材料构件,同时,促进了复合材料结构的产量和产品质量的提高,改善了工艺环境,实现绿色制造。
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