力箭一号发射，让人耳目一新，科幻般的发射架，超短的准备时间，出色的运力，以及一箭多星的技术。有人拿印度的固体火箭SSLV跟中国的力箭一号进行了比较，发现两个火箭的运载系数相差很多倍，瞬间感觉印度固体火箭非常原始。那中国到底掌握了什么样的秘诀，让力箭一号能实现这么优秀的性能呢？

我们先通过公开的数据来简单比较一下中印火箭。印度SSLV火箭500公里近地轨道运力500公斤，起飞重量120吨，运载系数大概是0.4%。中国力箭一号500公里太阳同步轨道运力1.5吨，起飞重量135吨，运载系数大概是1.1%，明显高于印度的火箭，近似是3倍的关系，这是非常可观的。其实，这还不是实际比例。虽然都是500公里圆形轨道，太阳同步轨道要比普通500公里近地轨道更难发射，需要消耗的燃料也更多。力箭的实际运载效率应该是印度SSLV的三倍以上。

如此看来，让人很好奇，力箭一号究竟使用了什么神奇的技术，才能实现这种碾压式的超越。要知道固体火箭的燃料基本都是差不太多的，燃料相同的情况下，运载效率差这么多肯定有其他方面的技术提升。

其实，中国力箭一号火箭明显领先印度火箭，最主要的原因就是采用了国产新材料技术。印度的固体火箭一如既往选用了不锈钢的外壳，而中国的力箭一号选用了碳纤维复合材料外壳。碳纤维复合材料密度是不锈钢的五分之一左右，再加上碳纤维复合材料结构强度是不锈钢的5倍以上，如此算下来，把不锈钢换成碳纤维复合材料能大幅度降低火箭外壳的重量。火箭外壳重量的减少，可以直接转化为运载能力的提升，因为同样装药量的背景下，火箭自身重量越小，可以携带的卫星重量就越大。

碳纤维增强复合材料在火箭上的应用

许多航天工业组织正在追求火箭结构的轻量化，在这种氛围下碳纤维复合材料则成为轻量化首选。目前火箭飞行维持器的主要结构如翅片筒、鼻锥、机身等均可通过采用碳纤维复合材料 (CFRP)，可以有效降低重量。

航天飞行器的重量每减少1公斤，可使运载火箭减轻500公斤，因此，碳纤维复合材料成为目前航天飞行器结构应用范围最广、技术成熟度最高的材料。对于运载火箭而言，碳纤维复合材料不但可以实现结构轻量化，而且也是功能化的关键原材料。

目前航天器结构用碳纤维主要为PAN基碳纤维，而且以高强中模（T系列）、高强高模（MJ系列）为主，如火箭、导 弹发动机大多采用高强中模碳纤维。

在运载火箭领域，碳纤维复合材料可用于制造固体发动机壳体结构、箭体整流罩、仪器舱、级间段、发动机喷管喉衬、卫星支架、低温贮箱等部件。碳纤维复合材料在运载火箭应用的典型代表为发动机壳体。当发动机运转工作时，壳体除了承受来自内外部的压力外，会要面临轴压、弯曲、扭转及横剪等外部载荷，因此发动机壳体所用的碳纤维大多为强度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高强中模碳纤维，如日本东丽T800、T1000和美国赫氏IM7等。

当前，美国、日本、法国等国家的运载火箭发动机壳体均采用碳纤维复合材料制造，例如，日本的M-5火箭的发动机壳体等，运载火箭应用碳纤维复合材料在质量上比铝合金材料减少10%-25%。

碳纤维复合材料在火箭领域应用面临两大难题

目前火箭飞行维持器的主要结构如翅片筒、鼻锥、机身等均可通过采用碳纤维复合材料（CFRP），可以有效降低重量。

尤其是对于翅片筒结构，刚度是设计的首要要求，而CFRP具有高比强度和高刚度，经过粗略估计，碳纤维尾翅的重量约为2磅，而金属铝的重量约为5磅，而且碳纤维也具有更高的安全系数。

CFRP在火箭领域应用面临两大难题：其一，其强度随制造工艺的不同而变化很大，其二，与金属材料相比，它们通常在相对较低的温度下失效。

第一个问题可以通过仅在刚度是主要设计参数的结构如翅片筒、上机身和鼻锥等使用碳纤维来解决的，而级间结构则采用金属，因为金属可以承受很大的压力。

第二个问题的解决方案是通过采用高温、高压釜外（OOC）预浸料系统，特别是TAC公司TC420氰酸酯高耐热性增韧树脂系统。开发这种环氧树脂的部分原因是为了取代波音ORION航天器中的钛隔热板，该树脂具有多种优势：可在仅350°F的温度下进行简单的OOC处理，在500°F的温度下可进行独立式后固化，最终玻璃化转变温度（Tg）为660 +°F，它也能起到良好的烧蚀作用。

对于鼻锥结构，国外某型号火箭鼻锥采用TC420 1K碳纤维平纹织物制成，使用18层，最终壁厚为0.1英寸。为了减少层的起皱，在施加了50％重叠的收缩带的施加压力下，一次固化了4-6层，从而产生了10-15 psi的压力范围。叠层后，使用心轴将零件打磨并摆成直角，以将零件固定在车床上。

火箭的上机身结构也可以采用CFRP材料，在由德国航空航天中心、瑞典国家航天局和ESA资助项目中，慕尼黑工业大学科研人员针对火箭上机身采用模块化设计，该模块包括一个圆柱形CFRP外壳（直径为356 mm，长300 mm），两个热塑性复合材料径向（径向）载荷输入环，一个凸形和一个凹形，以及用于连接的螺栓。CFRP材料由碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）材料制成，与金属铝相比，它具有较高的机械和热性能以及较高的比强度和刚度，最终使重量降低了40%。

应用碳纤维复合材料的火箭有哪些

Neutron号火箭

采用碳纤维复合材料结构，“中子”（Neutron）号火箭将成为全球第一个碳纤维复合材料大型运载火箭。

凭借先前开发小型运载火箭“电子”（Electron）的成功经验，美国领先的发射和空间系统公司“火箭实验室”（Rocket Lab USA）开发了一款名为“中子”（Neutron）的大型运载火箭，其载荷能力达8吨，可用于载人航天、大型卫星星座发射和深空探测等任务。该火箭在设计、材料和可重复利用方面取得了突破性成果。

Electron号火箭

与SpaceX的猎鹰9号（Falcon 9）或蓝色起源（Blue Origin）的新牧羊犬（New Shepherd）等巨型火箭相比，Electron号像是一个婴 儿火箭，因为其最大有效载荷仅为225千克，而猎鹰9的最大有效载荷为22800千克。但Electron与这些大型火箭不同之处在于，它专门设计用于将称为立方体卫星的微小卫星送入太空。对于发射轻型有效载荷的需求来水，它的发射价格也相对便宜，每次发射550万美元，而将SpaceX猎鹰9号火箭送入轨道通常需要6000万美元。

中国力箭一号火箭

中国力箭一号500公里太阳同步轨道运力1.5吨，起飞重量135吨，运载系数大概是1.1%，力箭一号选用了碳纤维复合材料外壳。中国的碳纤维生产技术不断提高，最终攻克了T700、T800高性能碳纤维生产技术。

碳纤维复合材料在火箭上的应用已经相对成熟，随着碳纤维复材的更新迭代，后续出现的连续碳纤维增强热塑性复合材料相继问世。制造火箭的多个部件可能还会迎来新的变化，碳纤维航空航天应用也就得到更多的成效，我们拭目以待。

文章来源： 新材云创，复材云集，钱鑫博士，江苏博实碳纤维