国产碳纤维助神舟十六号升空,国内外跟随飞船探索宇宙的碳纤维还有哪些?

不可思议的碳纤维 2023-06-02
2684 字丨阅读本文需 7 分钟

神舟十六号载人飞船于9时31分由长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心搭载升空,进入预定轨道,航天员乘组状态良好,发射取得圆满成功。据悉,哈尔滨玻璃钢研究院有限公司(简称哈玻院)为神舟十六号载人飞船提供飞船推进分系统碳纤维复合材料承力截锥及气瓶安装支架。

据了解,哈玻院从1995年开始承担飞船推进分系统碳纤维复合材料承力截锥及气瓶安装支架的研制任务。承力截锥是飞船推进分系统主承力构件之一,是当时我国在航天器型号上使用的最大的复合材料主承力结构。产品具有承载能力大、强度高、精度高等特点。多年来,哈玻院研制的产品保障了神舟系列飞船的每一次成功发射,为空间站的常态化运营提供了有力支撑。

今天就来谈谈国内外的那些被用在飞船上的碳纤维。先来看看碳纤维在飞船上手青睐的原因。

航空航天装备“轻量化”青睐碳纤维复材

在全球航空航天领域,“一代材料,一代装备”是一句至理名言。

一名航空领域的业内人士指出,航空材料是航空工业发展的基础。航空业的发展,与机体材料、结构材料、发动机材料,以及各类组件材料的创新化应用密不可分。使用先进材料,是实现飞机高性能、轻量化、高可靠性、长寿命、低成本的重要保障。

中国航发北京航空材料研究院副总工程师张学军此前曾公开表示,对于飞机和发动机来说,材料要求轻质、高强度、耐高温,结构要具有低缺陷、高稳定性,这是航空材料增材制造必须要解决的问题。

碳纤维复合材料则是一种被全球公认的具有“高性能、轻量化”特点的高新技术材料。

一家国内知名碳纤维企业的研发部负责人向记者介绍,从比强度方面看,普通钢铁的拉伸强度约为600MPa~800MPa,而通用级碳纤维的拉伸强度在3500MPa及以上,也就是说,碳纤维的强度是钢铁的4~6倍左右。从密度方面看,45号钢的密度为7.85 克/立方厘米,而T300碳纤维的密度为1.76克/立方厘米,T700碳纤维的密度为1.8克/立方厘米,其密度不到钢的1/4。这意味着,同样重的碳纤维和钢铁,碳纤维能承受的载荷是钢铁的20多倍。铝合金的密度在2.7克/立方厘米左右,而碳纤维增强树脂基复合材料如果做得好,密度可以做到2克/立方厘米以下。同时,碳纤维还有突出的耐高温、耐腐蚀特点。比如,在没有氧气的情况下,碳纤维能经受住3000摄氏度的高温,这是一般金属材料难以达到的。

也正是因为其典型的“轻质高强”特点,航空航天成为全球碳纤维及其复材十分关键的应用领域。

国内:神舟系列飞船中的高端复合材料

神舟飞船是我国自行研制,具有完全自主知识产权,达到或优于国际第三代载人飞船技术的飞船。神舟载人飞船用的大尺寸、多开口推进分系统主承力薄壁加筋截锥,是我国载人航天史上首次使用的大型碳纤维复合材料制品,也是我国自主研制的大型复合材料结构件。

神舟载人飞船用的大尺寸、多开口推进分系统主承力薄壁加筋截锥,是我国载人航天史上首次使用的大型碳纤维复合材料制品,也是我国自主研制的大型复合材料结构件。其实除了哈玻院的碳纤维复合材料承力截锥及气瓶安装支架返回舱热防护材料也是碳纤维的“用武之地”

返回舱热防护材料

在穿越大气层过程中,神舟飞船返回舱和大气层摩擦会产生两千多度的高温,足以融化地球上大部分的物质,因此神舟飞船返回舱必须准备热防护材料,在返回过程中,需要通过燃烧这种防热材料来带走热量,从而保证航天员的安全。

中国建材集团所属南玻院研发的高强纱分别应用于长征二号F遥十六运载火箭防热结构件和神舟十六号载人飞船返回舱的隔热层,为火箭发射、飞船和天和核心舱对接、航天员安全返回提供了可靠的保障;而哈玻院研制的神舟十六号载人飞船关键部位用防/隔热一体中密度预混料、长征二号F遥十六运载火箭发动机喷管防热挡板、长征二号F遥十六运载火箭逃逸塔用高性能耐烧蚀树脂。

碳纤维材料操纵棒

2021年,6月17日,神舟十二号载人飞船顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空。根据中国航天科技集团公开的信息,飞船上采用了比强度高、手感舒适的碳纤维材料操纵棒。在飞船发射和返回过程中,航天员的身体被牢牢束缚在座椅上,身体不能前倾以完成对仪表板上各种设备的操作。操纵棒就是为解决这一难题。操纵棒杆体的设计为可无极伸缩式,航天员可以根据现场条件在一定范围内任意调整操纵棒的长度。

国外:飞船中的高端复合材料

猎户座多用途载人飞船

Orion猎户座由洛 克希德马丁公司制造的指挥舱和欧洲航天局提供、空中客车国防与航天公司制造的服务舱组成,是阿尔忒弥斯计划的核心,将把宇航员送上太空,在太空旅行并将宇航员送回地球。2022年11月,美国航天局NASA新一代登月火箭“太空发射系统 (SLS) ”携带“阿尔忒弥斯一号”无人绕月飞行任务的猎户座载人飞船,在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空。

阿尔忒弥斯一号的主要目标是在月球返回再入条件下演示猎户座航天器的隔热罩,演示未来任务的操作,并回收航天器。外壳由后壳和隔热罩组成,是外部环境和飞行器内部有效载荷之间的主要屏障。这是猎户座必须保护自己不受微流星体、辐射和极端天气影响的第一道防线。猎户座飞船大约是阿波罗飞船的1.5倍,重2万磅(9071千克)。

为了让它比之前的飞船飞得更远、更快、承受更多的极限,合作的工程师团队采用了阿波罗传统的钛制钝形机身的传统设计,并利用新的复合材料系统在最后期限内优化了结构的重量和强度容限。与时间赛跑,东丽先进复合材料公司的碳纤维/氰酸酯预浸料TC420是专门配制的,以取代传统的重型和昂贵的钛板蒙皮,而不是钛蜂窝设计,用于猎户座飞船的后壳和隔热结构。TC420的理想之处在于,它通过允许隔热板结构与热保护系统并行,证明了从设计版本到可加工性改进的关键升级。

洛 克希德·马丁公司在科罗拉多州丹佛市用高压釜生产了直径16.5英尺(5米)的最大型复合材料隔热板,用于载人和无人驾驶任务。新一代复合材料系列的设计旨在通过改进的复合材料加工技术合理利用项目有限的资源,将加工时间缩短25%,降低成本,同时不牺牲所需的超高温性能。

火星探测无人飞船

NASA的无人火星探测任务将在这颗红色星球上建立一个新的机器人探测器和一架机器人探索直升机。一个胶囊状的气动外壳将在火星进入大气层和着陆时保护火星2020探测器。外壳由铝蜂窝和碳纤维蒙皮制成,隔热罩采用瓷砖酚醛浸渍碳烧蚀(PICA)热保护系统。

火星探测器本身长3米,宽2.7米,高2.2米。虽然NASA未公布建造火星车所用材料的细节,但据了解主要是使用复合材料建造火星探测器。在2314磅(1050公斤)的重量,流动站将低于平均小型车。它需要既轻又耐用,才能前往这颗红色星球,还需要足够坚固,能够携带相机和科学仪器,以及火星直升机——这是另一种复合材料密集型飞行器,将用于探索这颗星球。火星直升机由1500多块碳纤维、飞行级铝、硅、铜、箔和泡沫组成,重量不超过1.8公斤。

从上述国内外载人/无人航天飞船结构材料的介绍中,可以看到碳纤维复合材料在飞船结构中发挥着重要的作用,概括起来分为结构性应用(高强度、高刚度蒙皮结构)和功能性应用(耐高温的热防护结构)两大类。当然碳纤维在飞船中应用也不限于上述描述应用场景如火箭壳体,而碳纤维复合材料还可用于燃料储存和固体火箭发动机的压力容器。

文章来源: 钱 鑫 博士,中国纺织报,黑龙江新闻网,

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