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那些在太空領域“發威”的碳纖維復合材料
發布時間:2021-12-31
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碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量、各向異性等突出優點,作為航空航天四大材料之一的碳纖維復合材料,在軍用與民用領域的應用越來越廣泛,在導彈、運載火箭和衛星飛行器上也發揮著非常重要的作用。本文盤點:那些在太空領域“發威”的碳纖維復合材料:

 

世界上第一個碳復合材料大型運載火箭

 

Neutron將是世界上第一枚碳復合材料大型運載火箭。此前,Rocket Lab 率先將碳復合材料用于軌道火箭的 Electron 火箭,自 2018 年以來,該火箭一直為政府和商業小型衛星提供頻繁和可靠的太空通道。

 

Neutron 的結構將由一種新的、特殊配方的碳纖維復合材料組成,該材料重量輕、強度高,能夠承受發射和重返大氣層時的巨大熱量和力量,以實現第一級的頻繁重返飛行。為了實現快速可制造性,中子的復合材料結構將使用自動纖維鋪設(AFP)制造,該系統可以在幾分鐘內建造數米的碳火箭彈殼。

 

“Neutron不是常規火箭。它是一種新型運載火箭,具有可靠性、可重用性和降低成本,從一開始就融入了先進的設計。Neutron 結合了過去最好的創新,并將它們與尖端技術和材料相結合,為未來提供火箭。”相關人員在活動期間說。

 

碳纖維復材在火箭及航空領域的應用

 

航空航天技術代表了一個國家科技的綜合水平,目前全球能夠獨立發射火箭的國家屈指可數?;鸺且粋€行走的金庫,每一艘火箭都代表了巨大的經濟投入。想要合理的縮減火箭成本,新型材料的應用變成了一個重要的方向,而碳纖維就是這個大方向里的重要一環。

 

碳纖維復合材料主要用于制造運載火箭箭體和發動機殼體的結構部件,其中,發動機蓋、殼體、燃燒室、翅片筒、鼻錐、機身等部件,需要采用耐高溫、比剛度和比模量高的材料,強度高同時質量輕。拿翅片筒來舉例,在保證剛度的前提下,碳纖維尾翅的重量約為2磅,而鋁合金約為5磅,相差了1.5倍之多。整流罩需要采用易于加工、整體成形性能好的材料。

 

當前,美國、日本、法國等國家的運載火箭發動機殼體均采用碳纖維復合材料制造,例如,美國大力神-4火箭殼體、法國的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭的發動機殼體等,運載火箭應用碳纖維復合材料在質量上比鋁合金材料減少10%-25%。

 

在今年的10月19日,我國自主研制的目前世界上推力最大、可工程化應用的整體式固體火箭發動機在航天科技集團四院試車成功。該發動機直徑3.5米,推力達500噸,其殼體也是采用高性能纖維復合材料制成。

 

碳纖維復材助力長征五號B運載火箭減重約400公斤

 

去年5月,我國長征五號B運載火箭一飛沖天,任務圓滿成功。對于多級火箭來說,芯一級、助推器減重,對提高運載能力的影響并不明顯。而對于一級半入軌的長征五號B火箭來說,芯一級減重多少,運載能力幾乎就可以提高多少;助推器減重與運載能力提高的比例也高達1.25:1。減重收益相當可觀。

 

長征五號B火箭的芯一級尾段位于箭體最后,不僅是發動機艙,當火箭豎立在發射臺上時還能起到支撐作用。此前長征五號火箭的尾段,采用的是組合梁結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案。而在長征五號B火箭研制中,航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維復合材料“3+2”蜂窩夾層結構整體成型技術,用在了一級尾段的壁板和防熱板結構成型中,實現減重約400公斤。

 

近期碳纖維復材在太空的應用

 

采用高模量碳纖維復合材料的詹姆斯韋伯太空望遠鏡成功升空:12月25日,由美國航天局、歐洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)聯合研制的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)已經成功地從法屬圭亞那庫魯發射。JWST望遠鏡配備了東麗先進復合材料公司的高模量碳纖維增強氰酸酯預浸料樹脂系統。先進的復合材料具有精確的強度和剛度性能,重量輕,可在極具挑戰性的太空環境中執行任務。

 

碳材料助力NASA太陽探測器首次進入太陽大氣層:12月14日歷史上第一次有航天器接觸太陽。NASA的帕克太陽探測器現在已經穿過太陽的高層大氣。探測器的隔熱罩也被稱為熱保護系統(TPS),由兩個碳材料的復合層和中間碳泡沫構成。隔熱罩朝向太陽的一面還涂了一層特殊的白色涂層,以盡量反射來自太陽的能量。和普通碳纖維不同在于碳-碳結構不是通過硬化樹脂聚合在一起的,太陽附件的高溫會使得硬化樹脂蒸發,為此NASA用“切碎的碳纖維”作為填充材料,通過3000℃的烘烤使得結構成形,最終得到碳-碳結構的純碳物質。

 

3D打印碳纖維部件送上月球:日前,加拿大AON3D公司與Astrobotic公司合作,將裝配3D打印部件、由Astrobotic公司生產的Peregrine Mission One(PM1)月球著陸器送至月球。為了制造出能夠在太空條件下正常工作執行關鍵任務部件,這家3D打印機制造商正在使用其最近推出的AON M2+高溫工業3D打印機,該機可充分使用各種熱塑性復合材料、碳纖維復合材料和聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亞胺(ULTEM)等高性能聚合物制造零部件。

 

碳纖維復合材料在火箭上的應用已經相對成熟,隨著碳纖維復材的更新迭代,后續出現的連續碳纖維增強熱塑性復合材料相繼問世。制造火箭的多個部件可能還會迎來新的變化,碳纖維航空航天應用也就得到更多的成效,我們拭目以待。(來源:中國航天報、復材網、復材新天地等綜合整理)

 

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