高模量碳纤维是一种含碳量99%以上高性能碳纤维，由于具有高强度、高模量、低热膨胀等优异特性，高模量碳纤维广泛应用于航空航天领域，尤其是其结构件在太空高低温交变环境下具有优异的尺寸稳定性，因此高模量碳纤维成为卫星用高性能材料的选。

 

本文主要介绍了高模量碳纤维与氰酸酯树脂在太空望远镜领域的应用，主要工作基于日本航天探索局在CFRP材质太空反射镜领域的研究工作，考察了CFRP在太空望远镜应用的可行性。

 

1.背景介绍

 

近年来，为了观察深空或研究远星的精确位置，对太空望远镜的分辨率要求越来越高。通过增加主镜的孔径直径是实现高分辨率的主要途径之一，但是由于卫星受到严格的质量限制，太空望远镜直径增加势必会导致卫星质量增加，因此大孔径太空望远镜轻量化势在必行。

 

CFRP（碳纤维增强塑料）已经广泛用于卫星和机载任务传感器的主要结构，同时由于CFRP具有质量轻、低热膨胀、高刚度和高导热性等优异特定，因此也成为太空望远镜有前途的主镜材料。

 

CFRP材质太空望远镜往往由CFRP面板和CFRP蜂窝芯结构组成，其中碳纤维选用高模量碳纤维，而树脂基体则以氰酸酯树脂居多。高模量碳纤维热膨胀系数极低，通过与树脂复合后可保证结构件近乎零热膨胀系数。

 

此外，在轨道交变温度环境中尺寸稳定性也是太空望远镜结构设计中的主要问题。而选择氰酸酯作为基体原因在于与环氧树脂相比，其吸湿性低。图1显示了CFRP材质的直径为150 mm的球面镜。

 

 

 

2.1 项目来源

 

Japan Astrometry Satellite Mission for Infrared Exploration（简称：JASMINE）即日本红外探测天体测量卫星任务（图2），该项目主要目标是阐明银河系凸起的结构形成模式以及银河中心周围的恒星形成史。

 

小型JASMINE卫星将在红外Hw波段（1.7μm）内观测银河系中心周围区域的恒星，确定银河系中心周围数百万颗恒星的位置和视差，并须精确到10微弧秒，这些恒星的亮度比Hw=11.5 mag还高。

 

图2 日本红外探测天体测量卫星任务

 

这次测量将计划使用一个主镜直径为300毫米的单光束望远镜（图3）。主镜的形状精度要求为λ/20，表面粗糙度要求为λ/50，表面粗糙度要求为0.8μm PV，表面粗糙度要求为30nm PV，并在低地球轨道的工作温度210k下保持这些形状。

 

 

JASMINE的基本设计主要由日本国立天文台（NAOJ）的JASMINE项目办公室与JAXA、京都大学和其他机构联合进行，针对JASMINE望远镜的主镜需求，采用CFRP材料进行了太空望远镜设计。

 

 

CFRP反射镜由具有CFRP表面蒙皮和CFRP柔性芯的夹层板组成。其中蒙皮结构中碳纤维选用了日本石墨纤维公司YSH-60A型碳纤维（拉伸强度3830MPa、拉伸模量630GPa），NM31型低湿膨胀氰酸酯也是由日本石墨公司提供。

 

柔性芯蜂窝夹层板结构中碳纤维选用了日本石墨纤维公司的YSH-50A型高模量碳纤维（拉伸强度3830MPa、拉伸模量520GPa），而氰酸酯树脂是美国TenCate公司生产RS-3型树脂，值得注意的是RS-3氰酸酯基复合材料也被用于美国航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的中吊杆遮阳板部署结构。

 

具体加工流程：将单向预浸料层压成16层的准各向同性堆叠，然后在高压釜中预固化；夹芯结构由平布预浸料单片制成，纤维方向与芯高方向成45°，选择挠性芯便于形成弯曲形状；使用环氧树脂薄膜粘合剂将预固化的蒙皮面板和芯材粘合在一起（详细流程示意图如图4所示）。

 

 

在对结构进行测试时主要通过使用白光干涉仪的3D光学轮廓仪（New View 7300，Zygo）观察反射镜的表面轮廓（图5），重点研究了低温环境中CFRP反射镜表面精度的变化规律（图6）。

 

 

结果显示，制造的反射镜经优化工艺条件后，形状精度提高到0.2μmRMS，表面粗糙度达到6.2 nm RMS；在JASMINE望远镜的工作温度210 K下，温度引起的图形误差为700 nm PV和115 nm RMS。

 

结合卫星从地面到轨道的温度变化，由于水分在轨道上的解吸收缩而引起的变形将估计为比热变形大几倍。未来工作重点在于：通过预浸料和工艺优化进一步提高CFRP反射镜的形状精度和热稳定性。