２航天器結(jié)構(gòu)材料展望

     隨著航天工業(yè)的迅速發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)材料也將處于長期持續(xù)的發(fā)展之中。新型輕合金在航天器結(jié)構(gòu)中使用的比例逐步增加，復(fù)合材料的應(yīng)用更是促進了航天器結(jié)構(gòu)用材的變革，并且正處于迅猛發(fā)展之中。結(jié)合了金屬與無機／有機材料優(yōu)異性能的金屬基復(fù)合材料也已進入航天結(jié)構(gòu)研究人員的視野。除此之外，結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計密不可分，一些傳統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)正在被全新的多功能結(jié)構(gòu)（ＭＦＣ）和３Ｄ打印結(jié)構(gòu)所取代。未來，航天器的結(jié)構(gòu)材料將呈現(xiàn)多樣化、高性能的趨勢。

 

     鈦鎳合金由于具有形狀記憶功能也引起了航天領(lǐng)域的重視。在溫度低于材料的馬氏體逆轉(zhuǎn)變的開始溫度時，構(gòu)件可在一定外力下任意變形（其極限應(yīng)變可達６％～８％）。然后，當加熱到馬氏體逆轉(zhuǎn)變終了溫度時，由于熱彈性馬氏體相變原理，構(gòu)件可自動恢復(fù)到原有的形狀。目前，鈦鎳合金已經(jīng)在衛(wèi)星管路接頭、熱敏元件等方面有應(yīng)用性研究，并且研究表明形狀記憶合金的應(yīng)用將代替原火工品的使用，能夠為安全可靠地釋放衛(wèi)星上的機構(gòu)提供更好的保障。因此，記憶合金是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ暮教炱鹘饘俨牧稀?/span>

 

     另外，繼鋼鐵、塑料之后第三次材料工業(yè)革命的新材料金屬玻璃（即非晶態(tài)合金）也在衛(wèi)星上有應(yīng)用。金屬玻璃因其內(nèi)部原子排列無序，存在自由體積，相比于同等成分的金屬合金往往具有更低的密度和更高的強度。近年來，燕山大學成功制備出用于衛(wèi)星太陽能電池伸展機構(gòu)、關(guān)鍵齒輪等的非晶合金構(gòu)件，有望在未來的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上得以應(yīng)用。
２.２復(fù)合材料發(fā)展勢頭良好，應(yīng)用范圍將繼續(xù)增大復(fù)合材料發(fā)展時間較短，但其迅猛的發(fā)展趨勢也足以令人相信它有著巨大的應(yīng)用前景。一直以來，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用都領(lǐng)先于航天。其在飛機上的應(yīng)用已由次承力結(jié)構(gòu)材料發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)材料。世界上大型飛機如波音７８７、空客３８０ 等機型的結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料的用量占到了４０％～５０％，先進直升機結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料用量甚至占到了８０％以上。波音和空客公開的研究資料表明，到２０２０年它們的飛機結(jié)構(gòu)件將全部采用復(fù)合材料。由此類推，復(fù)合材料在航天領(lǐng)域?qū)⒂兄�巨大的發(fā)展空間和前景。這一點從衛(wèi)星桁架上此前廣泛應(yīng)用的鋁合金桁架接頭正由碳纖維復(fù)合材料接頭全部取代也可證明。圖２為典型的碳纖維復(fù)合材料接頭。截至目前，碳纖維高性能復(fù)合材料依然是復(fù)合材料研究與應(yīng)用的重點。為了縮小與國際先進水平的差距，我國現(xiàn)在非常注重復(fù)合材料的預(yù)先研究。隨著低成本一體化制造技術(shù)的發(fā)展，自動化、大型化、高精度制造裝備日趨成熟，以及基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善，復(fù)合材料在航天器結(jié)構(gòu)上的用量必將進一步增大。
     除此之外，針對樹脂基復(fù)合材料固有的濕熱效應(yīng)缺陷和導(dǎo)熱散熱不足等問題，也有人提出用金屬基體材料來彌補現(xiàn)有基體的不足，經(jīng)試驗，可以極大地提高復(fù)合材料的性能，例如可將材料的使用溫度從１６０℃提高到４００℃以上，能承受更嚴酷的空間綜合輻照、高低溫交變環(huán)境條件，獲得極低的真空出氣率、良好的耐濕性能和密封性能等。２０１７年發(fā)射的最新氣象衛(wèi)星風云四號的某關(guān)鍵載荷便使用了Ａｌ／ＳｉＣ復(fù)合材料構(gòu)件（圖３），實現(xiàn)了空間溫度范圍內(nèi)的尺寸高穩(wěn)定與性能高可靠。可以預(yù)見，未來對金屬基復(fù)合材料的需求將進一步增加。

 

２.３結(jié)構(gòu)材料與功能材料的一體化是最新發(fā)展趨勢高性能、輕量化是航天器材料設(shè)計追尋的永恒目標。除了使用更輕的材料，減少材料的使用才是更有效的減重途徑。基于此，洛克希德·馬丁公司發(fā)明了多功能結(jié)構(gòu)，多功能結(jié)構(gòu)就是結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計時，明確執(zhí)行不少于兩種功能的結(jié)構(gòu)，既可以同時執(zhí)行也可以依次執(zhí)行，這類結(jié)構(gòu)通常為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括嵌入多功能器件的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和本身含有多功能的結(jié)構(gòu)材料，涉及聚合物、金屬、陶瓷等。隨著封裝技術(shù)的提高，越來越多的功能性材料將為結(jié)構(gòu)所用。
      ＮＡＳＡ在２０１２年發(fā)布的《空間技術(shù)發(fā)展路線圖》中的“材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)和制造”領(lǐng)域就曾強調(diào)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計以及多功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的重要性和研究的必要性。多功能結(jié)構(gòu)材料可利用先進的計算設(shè)計和制造技術(shù)，實現(xiàn)之前難以獲得的綜合性能和功能。這些系統(tǒng)可以提高力學性能，增強對環(huán)境性能和損傷的感應(yīng)能力，以及修復(fù)損傷的能力和持續(xù)性能。
      國內(nèi)這方面的研究也在不斷深入，航天材料及工藝研究所帶頭完成的“多功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料集成技術(shù)”項目設(shè)計了具有多項功能的復(fù)合材料，實現(xiàn)了多項功能技術(shù)的高效集成，使結(jié)構(gòu)減重達到３５％，已在多個型號產(chǎn)品上有所應(yīng)用。可以想像，未來的航天器主結(jié)構(gòu)還是由合金或更多的復(fù)合材料構(gòu)成，其他部分的結(jié)構(gòu)將不僅僅具有承受和傳遞力的能力，而且同時具有其他功能。隨著輕質(zhì)材料和新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，航天器將變得更小、更輕，而功能卻更加豐富。

 

２.４增材制造將改變航天器結(jié)構(gòu)材料形式增材制造技術(shù)的優(yōu)勢之一是可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜但力學性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)的制造，代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)非常適用于衛(wèi)星單件／小批量結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)，將對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、裝配工藝產(chǎn)生革命性的影響。例如，上海衛(wèi)星裝備所前期基于選擇性激光融化（ＳＬＭ）成形技術(shù)，采用輕質(zhì)仿生點陣結(jié)構(gòu)對衛(wèi)星某下端框進行了輕量一體化設(shè)計，并采用鋁合金成型出輕量化設(shè)計的下端框樣件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重２４。５８％及承載條件下應(yīng)力分布更均勻，如圖４所示。針對衛(wèi)星多通道接頭采用點陣結(jié)構(gòu)等高效承力結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計優(yōu)化，并采用鋁合金成型輕量化多通道接頭，在滿足設(shè)計強度、剛度要求的前提下，最大化地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重３２％，如圖５所示。
３結(jié)語
      隨著大型復(fù)雜高精度航天器的迅速發(fā)展和深空探測器開發(fā)進程的加快，航天器對于輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料的需求異常迫切。由于長期在太空服役，所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。鋁合金具有較好的綜合性能，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)計性強等突出優(yōu)勢也備受航天器結(jié)構(gòu)工作者的青睞。
     縱觀當前衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)和相關(guān)預(yù)研項目的開展，輕合金尤其是鋁合金在一定時期內(nèi)仍將占主導(dǎo)地位，新型輕合金如鎂鋰合金將逐步應(yīng)用；復(fù)合材料發(fā)展勢頭良好，應(yīng)用范圍將繼續(xù)增大，特別是Ａｌ／ＳｉＣ等金屬復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的空間穩(wěn)定性與可靠性；結(jié)構(gòu)材料與功能材料的一體化將是最新發(fā)展趨勢。另外，納米復(fù)合材料、增材制造結(jié)構(gòu)材料一體化等新興材料技術(shù)也開始在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域嶄露頭角，必將對航天器結(jié)構(gòu)材料及其形式發(fā)展產(chǎn)生重大影響。
作者：王惠芬，楊碧琦，劉　剛，來源：上海衛(wèi)星裝備研究所、新材料智庫

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