近日，美国国家航空航天局(NASA）与诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop GrummanCorporation）合作建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope，JWST)已入选2023年罗伯特·H·戈达德(Robert H. Goddard）纪念奖，这是美国国家太空俱 乐部和基金会的最高荣誉。

该奖项表彰了NASA和诺斯罗普·格鲁曼公司领导的行业团队对美国航天领域领导地位做出的非凡贡献。戈达德奖杯将于3月10日在华盛顿举行的国家太空俱 乐部和基金会年度罗伯特·戈达德博士纪念晚宴上颁发。

詹姆斯·韦伯望远镜包含多种尖端技术，包括Toray Advanced Composite东丽先进复合材料公司（TAC）的创新复合材料。TAC公司与诺斯罗普·格鲁曼航空航天公司合作，根据其在航空航天工业中的工程和制造传统，为光学望远镜元件（OTE）的结构设计选择了高质量、高可靠性的复合材料，综合科学仪器模块（ISIM）和航天器元件（SCE）。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）是设计最复杂、功能最强大，也是人类有史以来最大的太空望远镜，它极大地扩展了人类在恒星间的视野。目前，JWST正从距离地球160万公里的天文台位置发现新的恒星系统，并收集有关宇宙历史的科学证据。毫无疑问，JWST是这个时代的伟大工程壮举，但在其背后，碳纤维复合材料确实起着重要的支撑作用。

JWST望远镜配备了东丽先进复合材料公司的高模量碳纤维增强氰酸酯预浸料树脂系统。先进的复合材料具有精确的强度和刚度性能，重量轻，可在极具挑战性的太空环境中执行任务。

JWST必须满足前所未有的热稳定性要求，以最大限度地减少其形状的变化，它的一面因为面对太阳而变热，而另一面则必须在超低温下工作。诺斯罗普·格鲁曼公司作为JWST太空望远镜总承包商，公司项目经理Bob Hellekson指出：看到JWST发回的图像，而这在一定程度上是通过使用我们团队为此次任务开发的创新高模量碳纤维复合材料技术而实现的，真是令人惊讶。这项技术使全球一流的、纳米尺寸稳定、可折叠、可部署和高质量的望远镜成为可能，并开启了天文学的新时代。

JWST中复合材料创新技术

JWST太空望远镜有两个主要部分，ISIM/光学望远镜元件（Optical Telescope Element，OTE）或OTIS和航天器总线。JWST望远镜的OTIS部分包含望远镜直径6.5米（m）的主镜，二次反射镜和望远镜是任务关键的光学设备和科学仪器。

1、JWST的背板——M55J高模量碳纤维复合材料

JWST的背板主要使用M55J高模量碳纤维复合材料制成，高约7.3米，宽约6.1米，背板支撑的重量是其自身重量的三倍多。PMBSS复合材料结构也被称为JWST的脊柱，它支撑着约3311公斤的镜子、望远镜光学仪器和其他OTIS组件。

背板结构的一个主要设计挑战是要求OTIS在超低温下保持静止和稳定，否则光学设备无法最佳工作。为了实现这一壮举，背板的材料在工作温度范围内不能膨胀或收缩超过38纳米(nm)的均方根(RMS)，这种可控范围大约是人类头发直径的1/1000。基于此，科研人员设计了一种新的复合材料层压板，以满足从室温到大约零下223°C至零下243°C（30-50开尔文温度）的这种极为苛刻的热膨胀系数（CTE）规范。Hellekson介绍：在这个工作温度范围内，材料尺寸必须控制在38nm的RMS范围内，误差范围为±0.15 k，背板必须足够坚固，能够承受发射时的振动和应力，但也要足够灵活，能够应对低温下可能发生的收缩和结构载荷。

大多数JWST的复合材料都需要进行大量的复合材料联合开发测试。美国国家航空航天局NASA戈达德航天飞行中心(GSFC)韦伯望远镜经理Lee Feinberg表示，对于背板和仪器载体来说，一个独特的要求是证明在JWST部署的科学模式下达到的极端低温下连接的完整性和强度。 Feinberg说：“所有的复合材料都工作得非常好。望远镜的稳定性超出了预期。”诺斯罗普·格鲁曼公司的复合材料团队发现，不同材料对地球大气层和太空温度变化的反应不同，将碳纤维与钛和因瓦合金配件和接口连接也能使背板具有稳定的强度。复合材料零件在5K（接近绝对零度）的低温室中组装前进行了测试，并测量了尺寸的变化。

2、DTA结构——轻质高模量碳纤维复合材料

DTA结构有助于将望远镜和仪器安装在火箭整流罩内，并具有可接受的发射重心，然后在发射后，当JWST过渡到其部署配置时，DTA将望远镜反射镜和仪器抬离航天器。它从装载收起高度的1.7米延伸到完全展开高度2.9米。它由两个大型伸缩管组成，主要由轻质高模量碳纤维复合材料制成，选择这种材料是为了使冷望远镜与热航天器隔热。

3、遮阳板——M60J高模量碳纤维

JWST的这一部分包括遮阳板，它对于保持望远镜科学仪器对来自太阳、地球和月球的光和热至关重要，这样它们就可以在大约50K的黑暗中工作。它还包括航天器总线结构，其中包括制导、导航和通信系统。对于JWST这部分结构而言，选择复合材料主要是因为它们重量轻，而不是因为它们在低温下的性能。

对于五层、21米长、14米宽的遮阳板，部件材料的选择在2008年初JWST的初步设计审查中完成。最初，M55J高模量碳纤维被选为9米长的遮阳板单元托盘结构（UPS）和其他支持大面积Kapton材料的部件，这些材料可以阻挡热量、光线和红外辐射到达OTIS。然而，在经过关键的设计审查后，美国宇航局认为需要大幅降低JWST的质量，这使得几个重要子系统的材料发生了变化，包括最终由M60J高模量碳纤维制成的遮阳UPS，因为大型UPS结构迫切需要轻量化、刚性和抗蠕变。

4、Sunshield太阳盾——T300碳纤维复合材料

T300碳纤维复合材料层构成了Sunshield太阳盾的5米中臂组件（ Mid-Boom Assemblies，MBA），这些部件被放置在一系列带有加强环的伸缩管中。

UPS和MBA结构必须在其收起状态下携带遮阳膜进行发射，然后在轨道上展开和拉紧膜，现在在JWST的五到十年寿命中保持这种张力。它们必须在温度>100°C时承受连续弯曲载荷，同时保持薄膜位置稳定。

文章来源： 复材云集，钱鑫博士，碳纤复材