碳纖維復合材料在航天大尺寸結構中的應用

張昱煜 梁海朝 李 強 水涌濤

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

碳纖維復合材料在航天大尺寸結構中的應用

張昱煜 梁海朝 李 強 水涌濤

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

從碳纖維復合材料的概念、分類及性能入手，重點介紹了碳纖維復合材料在航天大尺寸構件中的應用情況，特別是在運載火箭、導彈和人造衛(wèi)星等產(chǎn)品中的應用情況，并根據(jù)國內外的研究現(xiàn)狀，對我國碳纖維復合材料在航天領域應用中存在的一些問題進行了分析，對碳纖維復合材料未來在航天領域的應用前景進行了展望。

碳纖維復合材料，大尺寸結構，航天，應用

碳纖維復合材料作為一種新型復合材料，自20世紀60年代問世以來，長期受到國內外各領域的廣泛關注。由于碳纖維復合材料具有高比強度和比模量[1]等突出優(yōu)點，其在國內外軍用和民用領域的應用越來越廣泛。在航天大尺寸結構中，碳纖維復合材料也已逐步獲得了越來越廣泛的應用，并表現(xiàn)出了廣闊的應用前景。

1 碳纖維復合材料的分類及性能

根據(jù)碳纖維制備所采用的原絲的不同，碳纖維可分為瀝青基碳纖維、粘膠基纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維等3種。碳纖維本身具有很強的剛性，主要用作陶瓷、樹脂等基體的增強材料，以獲得性能優(yōu)異的碳纖維復合材料。目前，市場上生產(chǎn)的碳纖維型號及其部分參數(shù)見表1。

碳纖維復合材料具有各向異性，不同于金屬材料，具有獨特的性能。表2是碳纖維復合材料與金屬材料的性能對比。

2 碳纖維復合材料在航天大尺寸結構中的應用現(xiàn)狀

作為航空航天四大材料之一的碳纖維復合材料，在導彈、運載火箭和衛(wèi)星飛行器上發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2.1 碳纖維復合材料在導彈上的應用

碳纖維復合材料在導彈中主要應用在發(fā)射器上。發(fā)射器從內表面到外表面的結構如圖1所示。

表1 碳纖維型號及參數(shù)表

導彈發(fā)射器的性能要求發(fā)射器采用圓筒薄壁結構，其身管厚度不得大于2mm，且發(fā)射器的重量不能超過導彈的1/6，制成的導彈身管要具有足夠高的強度，以及良好的密封性、透濕率等性能。實驗表明，將碳纖維材料用于導彈發(fā)射器的身管，大幅降低了發(fā)射器的重量，可滿足發(fā)射器身管透濕率、軸線變形性等要求，還能夠起到電磁屏蔽作用。

俄羅斯核防備力量的兩個核心包括陸上多功能洲際導彈SS-27型“白楊-M”和海上“圓錘”型潛艇發(fā)射導彈，這兩型導彈的固體發(fā)動機噴管及表面涂層均采用了粘膠基碳纖維增強酚醛樹脂復合材料，使導彈發(fā)射器能夠承受住發(fā)射時受到的熱應力和阻力。

表2 碳纖維復合材料與金屬材料性能

此外，美國的“三叉戟”Ⅱ型（Trident-Ⅱ，D-5）、“大力神”戰(zhàn)略彈道導彈也采用了碳纖維復合材料，導彈射程相應提高。其中，“三叉戟”Ⅱ型（Trident-Ⅱ，D-5）導彈固體發(fā)動機殼體采用了碳纖維復合材料，射程由Ⅰ型的7400km提高到12000km，命中精度為90m，成為當前潛射洲際彈道導彈的主要型號。

2.2 碳纖維復合材料在運載火箭中的應用

碳纖維復合材料主要用于制造運載火箭箭體和發(fā)動機殼體的結構部件，其中，發(fā)動機蓋、殼體、燃燒室等需要采用耐高溫、比剛度和比模量高的材料，整流罩需要采用易于加工、整體成形性能好的材料。

當前，美國、日本、法國等國家的運載火箭發(fā)動機殼體均采用碳纖維復合材料制造，例如，日本的M-5火箭的發(fā)動機殼體等，運載火箭應用碳纖維復合材料在質量上比鋁合金材料減少10%～25%。

2.3 碳纖維復合材料在人造衛(wèi)星飛行器上的應用

碳纖維復合材料具有較高的比強度、比剛度，良好的抗疲勞性能，以及優(yōu)異的整體成形性能等特性，因此，碳纖維復合材料自問世以來就被用作衛(wèi)星飛行器的本體結構、天線，以及太陽能電池板構件[4]。

在人造衛(wèi)星飛行器本體結構方面，碳纖維復合材料主要用作飛行器的中心承力筒，例如，法國電信一號衛(wèi)星的4條中心承力筒就是由碳纖維復合材料制成的，其通過螺接連接在由碳纖維復合材料制成的儀器平臺上。另外，碳纖維復合材料還被用來制作連接支架和衛(wèi)星的大梁結構，例如，美國Conwr公司使用碳纖維復合材料制作了雙元“OVI”衛(wèi)星的4根大梁結構。另外，“ATS”衛(wèi)星的地球觀測艙也采用了碳纖維復合材料制造的連接支架。

人造衛(wèi)星飛行器的能量來源是太陽能電池陣，要求電池陣能夠折疊，并且可以在外太空打開時承受住外太空的阻力，因此，太陽能電池陣不能用金屬來制造。由于碳纖維復合材料具有密度小、重量輕、易于加工、整體成形性好等一系列特性，因而可用來制作衛(wèi)星的太陽能電池陣，包括太陽能電池基板和連接架等[5]。

3 結束語

碳纖維復合材料作為新型復合材料，其應用范圍越來越廣泛，目前，碳纖維復合材料的應用程度已經(jīng)成為衡量一個國家技術發(fā)展水平的重要指標之一。我國作為航天大國，在碳纖維復合材料的研究及應用方面均開展了重要的工作，例如，“東方紅二號”通訊衛(wèi)星運地點發(fā)動機、“風云二號”氣象衛(wèi)星運地點發(fā)動機和“長征二號E”火箭發(fā)動機的殼體均采用了碳纖維復合材料來制造，但是，我國制造的碳纖維復合材料高端產(chǎn)品少，生產(chǎn)技術低端，產(chǎn)品性能不高且不穩(wěn)定。針對這些問題，我國應將碳纖維復合材料列入優(yōu)先發(fā)展計劃之內，更加注重基礎知識和關鍵技術的研究，突破技術難題，掌握核心技術，全面提升碳纖維復合材料的制備工藝水平及應用水平，促進碳纖維復合材料在航空、航天領域的廣泛應用。

1 張駿華, 盛祖銘, 孫繼同. 導彈和運載火箭復合材料結構設計指南[M]. 北京: 中國宇航出版社, 1999: 59～79

2 田海英, 關志軍, 丁亞林, 等. 碳纖維復合材料應用于航天光學遙感器遮光鏡筒[J]. 光學技術, 2003, 29(6): 704～706

3 杜善義. 先進復合材料與航空航天[J]. 復合材料學報, 2007, 24(1): 1～12

4 丁亞林, 田海英, 劉立國, 等. 一種提高碳纖維復合材料框架結構應用性能的結構技術[J]. 光學精密工程, 2003, 34(1): 8～26

5 Vinson J R. The behavior of sandwich structures of isotropic and composite materials[M]. CRC Press, 1999

1009-8119（2017）04（1）-0057-02