航天器結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來展望
時(shí)間：2019-04-28 14:59 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射以來，人類就從未停止對航天結(jié)構(gòu)材料的研究與關(guān)注。近年來，衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，一方面對結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求，另一方面也促進(jìn)了新材料的產(chǎn)生與發(fā)展。世界各大航天機(jī)構(gòu)都設(shè)有專門的材料研究中心，持續(xù)開展航天器結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)。例如，美國ＮＡＳＡ的蘭利研究中心和國內(nèi)的航天材料及工藝研究所等都是負(fù)責(zé)研發(fā)和測試航空航天新型材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。ＮＡＳＡ在２０１２年發(fā)布的《空間技術(shù)發(fā)展路線圖》中，依然將材料與結(jié)構(gòu)列為最優(yōu)先發(fā)展的十四大領(lǐng)域之一，并且在2015年對其進(jìn)行了細(xì)化與完善。
由于航天器載荷的復(fù)雜性和服役環(huán)境的特殊性，材料的選用要求往往與常規(guī)機(jī)械產(chǎn)品有很大區(qū)別。作為結(jié)構(gòu)材料，最基礎(chǔ)的作用就是承受和傳遞載荷，因而所選材料必須強(qiáng)度高、模量大、韌性好。特別是隨著載人航天與深空探測事業(yè)的發(fā)展，有效載荷逐漸增多，衛(wèi)星平臺越來越大，對材料此方面的性能提出了更高要求。我國的風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星在發(fā)展到第三代，也即第二代極軌氣象衛(wèi)星ＦＹ－３時(shí)，遙感探測器已達(dá)１２個(gè)之多，其平臺也相應(yīng)地要求具有更大的衛(wèi)星承載能力。
在不降低材料性能的前提下，輕量化是工業(yè)界追求的永恒目標(biāo)，它的實(shí)現(xiàn)不僅有利于削減成本，而且有助于減少環(huán)境污染。以汽車為例，其質(zhì)量每減輕１０％，就會節(jié)省６％～８％的燃料。這對發(fā)射成本異常昂貴的衛(wèi)星而言更加適用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入空間軌道的航天運(yùn)載器質(zhì)量每減輕１ｋｇ，其發(fā)射費(fèi)用將節(jié)省約２萬美元，因此必須采用密度盡量低的材料。結(jié)合高強(qiáng)度和大剛度的性能要求，需要采用比模量（彈性模量與密度之比）高和比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）大的材料。其中，高比模量的材料還非常有利于提高結(jié)構(gòu)的自然頻率和穩(wěn)定性，防止在發(fā)射時(shí)引起過大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷，保證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行及提高衛(wèi)星薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)射壓縮載荷下的穩(wěn)定性。
另外，由于衛(wèi)星長期在太空服役且在軌壽命延長，因而所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。對于結(jié)構(gòu)材料，尤其是暴露在空間的外部材料，要求在真空、高低溫交變、紫外輻照、電子輻照、原子氧等
條件下不發(fā)生大幅的成分、結(jié)構(gòu)與質(zhì)量變化，從而能夠保證所需的力學(xué)性能和物理性能。
１航天器結(jié)構(gòu)材料的性能特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，航天器用結(jié)構(gòu)材料主要有金屬材料與復(fù)合材料兩大類。金屬材料具有成熟的使用性能和加工制造基礎(chǔ)，一直以來都是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料的首選；復(fù)合材料作為新興材料，因其具備密度低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢也備受航天器結(jié)構(gòu)工作者的青睞，并有逐漸代替金屬作為衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)材料的趨勢。
１.１金屬材料
金屬材料具有可焊接的特點(diǎn)，常用于衛(wèi)星密封殼體結(jié)構(gòu)中，在接頭、支架等承力結(jié)構(gòu)件上也有廣泛應(yīng)用。金屬材料中，合金鋼是工業(yè)界使用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，但是在航空航天領(lǐng)域除了少部分結(jié)構(gòu)采用合金鋼以外，主要都采用更加輕質(zhì)的鋁合金、鈦合金、鎂合金等。如表１所示，在比模量相當(dāng)?shù)那闆r下，輕質(zhì)合金的密度低很多。
在輕質(zhì)合金中，鋁合金價(jià)格相對便宜，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性良好且抗腐蝕性能好，是目前衛(wèi)星上應(yīng)用最廣泛的輕金屬材料。部分鋁合金還具有良好的低溫性能，隨著溫度的下降，其強(qiáng)度和塑性都有所增加。在經(jīng)典的航天飛機(jī)時(shí)代，乘員艙、前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼均由鋁合金制造。在美國，研究和應(yīng)用較多的主要有７０７５、７４７５和７０５５等７系鋁合金。這些成分的鋁合金不僅具有高強(qiáng)度，而且具有高韌性，一直是各國航天材料研究人員追求的目標(biāo)。受限于材料制備技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)鋁合金在我國的應(yīng)用較少，但是要實(shí)現(xiàn)航天器的輕量化設(shè)計(jì)，這始終是一個(gè)值得研究的方向。
目前應(yīng)用在航天器上的鋁合金主要有鋁合金厚板、鋁蜂窩板和鋁－鋰合金等。其中，鋁合金厚板具有高強(qiáng)度、良好的韌性、抗應(yīng)力性能和抗剝落腐蝕性能，而且其斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)，作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。另外，鋁蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)以其比強(qiáng)度高、比剛度高、隔熱隔振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代衛(wèi)星主要的承力結(jié)構(gòu)。２０世紀(jì)８０年代發(fā)展起來的鋁－鋰合金由于鋰的添加可以降低合金的密度，增加剛度，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性，被認(rèn)為是２１世紀(jì)航空航天領(lǐng)域最理想的結(jié)構(gòu)材料。上述三類鋁合金因在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，都將是我國在鋁合金方面研究努力的方向與重點(diǎn)。
鈦合金相比于其他輕金屬材料的優(yōu)勢在于比強(qiáng)度最高、耐腐蝕性最好（甚至遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼），并且高低溫力學(xué)性能很好，能在５５０℃高溫和零下２５０℃低溫下長期工作而保持性能不變（鋁合金最高僅能在２００～３００℃工作）。鈦合金線膨脹系數(shù)小，可以用作要求尺寸不隨溫度變化的構(gòu)件。第一代航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)部分采用了鈦合金Ｔｉ１１００作為防熱瓦。英國空天飛機(jī)ＨＯＴＯＬ的機(jī)身材料也部分采用了鈦合金。國內(nèi)新型通信衛(wèi)星的承力筒錐段由于采用高強(qiáng)鈦合金制成大口徑雙波紋殼結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量減輕了約５０％，抗載能力提高了８０％。
鑒于鈦合金高昂的價(jià)格，其一般只用于承載力大的關(guān)鍵部位或者同時(shí)對結(jié)構(gòu)性能與熱學(xué)性能有較高要求的場合。但是鈦合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能，不僅在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在其他如控制系統(tǒng)中也表現(xiàn)出巨大的潛力。并且鈦資源豐富，蘊(yùn)藏量僅次于鐵、鋁。目前的難點(diǎn)就在于從原始資源到市場之間的轉(zhuǎn)化存在較大的阻力，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)都是重要的問題。
鎂合金是表１所列合金中密度最低的材料，并且減振能力好，易切削加工和可回收，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)綠色金屬工程結(jié)構(gòu)材料”。目前，歐美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家高度重視鎂合金的研究和開發(fā)，并己將鎂合金應(yīng)用到航空航天、汽車、軍事與３Ｃ產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。衛(wèi)星用鎂合金多為鑄造鎂合金，強(qiáng)度相對較低，一般用于制作常溫和低溫下承受低載荷的結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)研究鎂合金的單位很多，但是在航天器上的應(yīng)用還并不是很廣泛，局限在于鎂合金耐腐蝕性能不強(qiáng)，且長時(shí)間工作溫度不能超過１５０℃。
１.２復(fù)合材料
航天器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料主要是纖維增強(qiáng)型的復(fù)合材料，基體一般為熱固性環(huán)氧樹脂。按照纖維的種類不同可分為碳纖維增強(qiáng)型（常見牌號有Ｍ６０、Ｍ５５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）、凱夫拉纖維增強(qiáng)型、玻璃纖維增強(qiáng)型和硼纖維增強(qiáng)型等。對比表１、表２，可見復(fù)合材料的比模量和比強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于上述輕合金。
復(fù)合材料中，碳纖維／環(huán)氧復(fù)合材料（ＣＦＲＰ）密度低（與鎂和鈹相當(dāng)）、強(qiáng)度高（達(dá)鋁合金的３倍多）、模量大，輕質(zhì)高強(qiáng)性能尤為顯著，是所有航空航天領(lǐng)域最受歡迎的復(fù)合材料。由于ＣＦＲＰ具有各向異性，所以它具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，能為不同服役條件提供最優(yōu)的材料選擇。同時(shí)，復(fù)合材料易于大面積整體成型的特性也為簡化航天器生產(chǎn)工序、縮短生產(chǎn)周期提供了重要保障。國內(nèi)外航天器上復(fù)合材料的使用已經(jīng)占到較大比例。目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在衛(wèi)星上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)、太陽電池陣和天線結(jié)構(gòu)等方面。由于其具有較高的比強(qiáng)度、較大的比剛度和良好的抗疲勞等性能特征，非常適合應(yīng)用于衛(wèi)星外殼、中心承力筒和各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板等部位。又因?yàn)椋茫疲遥芯哂芯�膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，所以大型電池陣經(jīng)常采用該材料。衛(wèi)星上安裝的大型拋物面天線等強(qiáng)方向天線要求在溫度急劇變化的空間環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的外形，所以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也比較適用。
但是復(fù)合材料也存在一些固有的缺陷，例如吸濕性，ＣＦＲＰ在大氣中存儲和使用時(shí)，水分與溫度的作用會使其力學(xué)性能明顯下降。樹脂基體吸濕后會引起體積膨脹，不僅會產(chǎn)生濕熱變形與應(yīng)力，同時(shí)還會降低材料本身的剛度和強(qiáng)度。另外，ＣＦＲＰ加工精度的穩(wěn)定性也有待提高。針對這些問題，研究發(fā)展高模量、高強(qiáng)度以及高導(dǎo)熱率的纖維，進(jìn)一步改善樹脂基體的耐高低溫性能，同時(shí)大力發(fā)展復(fù)合材料的自動(dòng)化制造裝備將是有效的解決辦法。
在不降低材料性能的前提下，輕量化是工業(yè)界追求的永恒目標(biāo)，它的實(shí)現(xiàn)不僅有利于削減成本，而且有助于減少環(huán)境污染。以汽車為例，其質(zhì)量每減輕１０％，就會節(jié)省６％～８％的燃料。這對發(fā)射成本異常昂貴的衛(wèi)星而言更加適用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入空間軌道的航天運(yùn)載器質(zhì)量每減輕１ｋｇ，其發(fā)射費(fèi)用將節(jié)省約２萬美元，因此必須采用密度盡量低的材料。結(jié)合高強(qiáng)度和大剛度的性能要求，需要采用比模量（彈性模量與密度之比）高和比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）大的材料。其中，高比模量的材料還非常有利于提高結(jié)構(gòu)的自然頻率和穩(wěn)定性，防止在發(fā)射時(shí)引起過大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷，保證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行及提高衛(wèi)星薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)射壓縮載荷下的穩(wěn)定性。
另外，由于衛(wèi)星長期在太空服役且在軌壽命延長，因而所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。對于結(jié)構(gòu)材料，尤其是暴露在空間的外部材料，要求在真空、高低溫交變、紫外輻照、電子輻照、原子氧等
條件下不發(fā)生大幅的成分、結(jié)構(gòu)與質(zhì)量變化，從而能夠保證所需的力學(xué)性能和物理性能。
１航天器結(jié)構(gòu)材料的性能特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，航天器用結(jié)構(gòu)材料主要有金屬材料與復(fù)合材料兩大類。金屬材料具有成熟的使用性能和加工制造基礎(chǔ)，一直以來都是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料的首選；復(fù)合材料作為新興材料，因其具備密度低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢也備受航天器結(jié)構(gòu)工作者的青睞，并有逐漸代替金屬作為衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)材料的趨勢。
１.１金屬材料
金屬材料具有可焊接的特點(diǎn)，常用于衛(wèi)星密封殼體結(jié)構(gòu)中，在接頭、支架等承力結(jié)構(gòu)件上也有廣泛應(yīng)用。金屬材料中，合金鋼是工業(yè)界使用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，但是在航空航天領(lǐng)域除了少部分結(jié)構(gòu)采用合金鋼以外，主要都采用更加輕質(zhì)的鋁合金、鈦合金、鎂合金等。如表１所示，在比模量相當(dāng)?shù)那闆r下，輕質(zhì)合金的密度低很多。
目前應(yīng)用在航天器上的鋁合金主要有鋁合金厚板、鋁蜂窩板和鋁－鋰合金等。其中，鋁合金厚板具有高強(qiáng)度、良好的韌性、抗應(yīng)力性能和抗剝落腐蝕性能，而且其斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)，作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。另外，鋁蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)以其比強(qiáng)度高、比剛度高、隔熱隔振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代衛(wèi)星主要的承力結(jié)構(gòu)。２０世紀(jì)８０年代發(fā)展起來的鋁－鋰合金由于鋰的添加可以降低合金的密度，增加剛度，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性，被認(rèn)為是２１世紀(jì)航空航天領(lǐng)域最理想的結(jié)構(gòu)材料。上述三類鋁合金因在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，都將是我國在鋁合金方面研究努力的方向與重點(diǎn)。
鈦合金相比于其他輕金屬材料的優(yōu)勢在于比強(qiáng)度最高、耐腐蝕性最好（甚至遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼），并且高低溫力學(xué)性能很好，能在５５０℃高溫和零下２５０℃低溫下長期工作而保持性能不變（鋁合金最高僅能在２００～３００℃工作）。鈦合金線膨脹系數(shù)小，可以用作要求尺寸不隨溫度變化的構(gòu)件。第一代航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)部分采用了鈦合金Ｔｉ１１００作為防熱瓦。英國空天飛機(jī)ＨＯＴＯＬ的機(jī)身材料也部分采用了鈦合金。國內(nèi)新型通信衛(wèi)星的承力筒錐段由于采用高強(qiáng)鈦合金制成大口徑雙波紋殼結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量減輕了約５０％，抗載能力提高了８０％。
鑒于鈦合金高昂的價(jià)格，其一般只用于承載力大的關(guān)鍵部位或者同時(shí)對結(jié)構(gòu)性能與熱學(xué)性能有較高要求的場合。但是鈦合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能，不僅在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在其他如控制系統(tǒng)中也表現(xiàn)出巨大的潛力。并且鈦資源豐富，蘊(yùn)藏量僅次于鐵、鋁。目前的難點(diǎn)就在于從原始資源到市場之間的轉(zhuǎn)化存在較大的阻力，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)都是重要的問題。
鎂合金是表１所列合金中密度最低的材料，并且減振能力好，易切削加工和可回收，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)綠色金屬工程結(jié)構(gòu)材料”。目前，歐美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家高度重視鎂合金的研究和開發(fā)，并己將鎂合金應(yīng)用到航空航天、汽車、軍事與３Ｃ產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。衛(wèi)星用鎂合金多為鑄造鎂合金，強(qiáng)度相對較低，一般用于制作常溫和低溫下承受低載荷的結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)研究鎂合金的單位很多，但是在航天器上的應(yīng)用還并不是很廣泛，局限在于鎂合金耐腐蝕性能不強(qiáng)，且長時(shí)間工作溫度不能超過１５０℃。
１.２復(fù)合材料
航天器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料主要是纖維增強(qiáng)型的復(fù)合材料，基體一般為熱固性環(huán)氧樹脂。按照纖維的種類不同可分為碳纖維增強(qiáng)型（常見牌號有Ｍ６０、Ｍ５５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）、凱夫拉纖維增強(qiáng)型、玻璃纖維增強(qiáng)型和硼纖維增強(qiáng)型等。對比表１、表２，可見復(fù)合材料的比模量和比強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于上述輕合金。
但是復(fù)合材料也存在一些固有的缺陷，例如吸濕性，ＣＦＲＰ在大氣中存儲和使用時(shí)，水分與溫度的作用會使其力學(xué)性能明顯下降。樹脂基體吸濕后會引起體積膨脹，不僅會產(chǎn)生濕熱變形與應(yīng)力，同時(shí)還會降低材料本身的剛度和強(qiáng)度。另外，ＣＦＲＰ加工精度的穩(wěn)定性也有待提高。針對這些問題，研究發(fā)展高模量、高強(qiáng)度以及高導(dǎo)熱率的纖維，進(jìn)一步改善樹脂基體的耐高低溫性能，同時(shí)大力發(fā)展復(fù)合材料的自動(dòng)化制造裝備將是有效的解決辦法。
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