詳細(xì)盤點(diǎn)美國國防部空間系統(tǒng)軍用技術(shù)中的碳纖維復(fù)合材料
更新時間：2023-04-25 08:55:34
編輯：錢鑫
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在美國國防部（Department Of Denfense）發(fā)布的Militarily Critical Thechonogies List關(guān)于空間系統(tǒng)技術(shù)中，多項關(guān)鍵技術(shù)涉及到了碳陶復(fù)合材料、碳碳復(fù)合材料、碳纖維樹脂基復(fù)合材料等 。本文主要該技術(shù)清單中涉及復(fù)合材料領(lǐng)域的多項關(guān)鍵技術(shù)，對技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵指標(biāo)及背景部分等進(jìn)行了簡要介紹。
關(guān)鍵參數(shù)：所有軸向和橫向軸的隔振技術(shù)在0–1000Hz帶寬內(nèi)產(chǎn)生基礎(chǔ)和有效載荷之間的均方根傳遞率-5dB；隔振系統(tǒng)質(zhì)量<有效載荷質(zhì)量的5%。關(guān)鍵材料：高阻尼材料，如整流罩用輕質(zhì)復(fù)合材料、新型輕質(zhì)低成本聲阻尼和有源衰減復(fù)合材料、具有調(diào)諧聲阻抗的混合多組分電熱毯。背景介紹：航天器通常使用非常堅固且阻尼很小的有效載荷連接配件（PAF）結(jié)構(gòu)安裝在運(yùn)載火箭上。PAF結(jié)構(gòu)的設(shè)計旨在能夠承受助推期間的軸向加速度，這會導(dǎo)致沿運(yùn)載火箭長（z）軸的靜態(tài)和動態(tài)壓縮載荷（下圖）。由于導(dǎo)航系統(tǒng)的操縱和遇到風(fēng)切變情況而產(chǎn)生的橫向載荷，往往會使運(yùn)載火箭的機(jī)身出現(xiàn)彎曲模式失效，進(jìn)而驅(qū)動航天器的橫向位移。運(yùn)載火箭隔振技術(shù)將在軸向和橫向兩個方向上為PAF增加相當(dāng)大的靈活性和阻尼，而不會引起過度的軸向、橫向或旋轉(zhuǎn)位移。
帶有坐標(biāo)系統(tǒng)定義的運(yùn)載火箭，PAF和航天器的位置分布
關(guān)鍵參數(shù)：主動/被動聲衰減技術(shù)可在0–500z帶寬范圍內(nèi)，所有頻率（從沒有衰減器的基線系統(tǒng)開始）降低≥20分貝；主動/被動聲系統(tǒng)質(zhì)量≤5%整流罩質(zhì)量，而不增加整流罩的體積。關(guān)鍵材料：高阻尼材料，如復(fù)合整流罩用輕質(zhì)復(fù)合材料；新型輕質(zhì)、低成本聲阻尼和有源衰減復(fù)合材料；具有調(diào)諧聲阻抗的混合多組分電熱毯。背景介紹：振動噪聲會導(dǎo)致衛(wèi)星故障，而聲學(xué)噪音是由發(fā)動機(jī)噪聲、空氣動力學(xué)等產(chǎn)生的，在沒有隔振技術(shù)的情況下，其標(biāo)稱聲級為135～145db。影響最大的系統(tǒng)是太陽能陣列、天線、管放大器和軸承/接頭。目前的聲衰減是通過使用定制縫制的隔音毯來實(shí)現(xiàn)的，既昂貴又笨重。此外，聲衰減主要由整流罩的質(zhì)量驅(qū)動，由于采用先進(jìn)復(fù)合材料后，整流罩組件的質(zhì)量大大降低，通過創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)元件設(shè)計后，可以將聲能從關(guān)鍵區(qū)域衰減或重新定向。關(guān)鍵參數(shù)：要求復(fù)合材料能夠承受熱應(yīng)力≥50k和壓力≥800 psi引起的微裂紋；對于RLV儲罐，通過1000次增壓和降壓循環(huán)，能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且無結(jié)構(gòu)故障。關(guān)鍵材料：復(fù)合材料采用熱膨脹系數(shù)低的樹脂，并且復(fù)合材料能夠?qū)σ貉?、液氮、過氧化物、火箭和噴氣燃料等具有化學(xué)惰性。背景介紹：低溫復(fù)合材料儲罐不但可以延長太空飛行時間并降低非太空飛行器的重量，而且還可使飛行器以低成本形式進(jìn)入太空。采用復(fù)合材料的低溫儲罐結(jié)構(gòu)，由于其低重量結(jié)構(gòu)將大大降低空間和非空間飛行器的部署成本，也將允許單級入軌發(fā)射復(fù)合低溫壓力容器比傳統(tǒng)的金屬容器更輕、更便宜。重量節(jié)省高達(dá)60%對運(yùn)載火箭發(fā)射到太空的成本有很大影響。關(guān)鍵參數(shù)：陶瓷基復(fù)合材料（CMC）可承受2000°C，時間≥20分鐘，以及50次重復(fù)使用；金屬和金屬基復(fù)合材料（MMC）成本和機(jī)械性能與鈦相當(dāng)，但質(zhì)量密度更低，且使用溫度較高（>700°C）；碳/碳復(fù)合材料（RCC）能夠在≥18馬赫的條件下承受至少50分鐘的燒蝕（損耗不超過25%）。關(guān)鍵材料：陶瓷基復(fù)合材料CMC為碳纖維增強(qiáng)碳化硅、碳化硅增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料；金屬基復(fù)合材料MMC為鈦合金等基體復(fù)合材料 ；RCC碳/碳復(fù)合材料要求3D和4D碳/碳復(fù)合材料。背景介紹：熱控制系統(tǒng)的目的是保護(hù)運(yùn)載火箭在發(fā)射、進(jìn)入空間和必要時在重返大氣層期間免受熱損傷。它由若干子系統(tǒng)和技術(shù)組成，旨在滿足發(fā)射系統(tǒng)的獨(dú)特要求。由于運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)、任務(wù)和設(shè)計傳統(tǒng)等的多樣性，熱控制系統(tǒng)在不同的運(yùn)載火箭系統(tǒng)之間會有很大的差異。新興的軍事發(fā)射系統(tǒng)要求強(qiáng)調(diào)快速反應(yīng)、降低作戰(zhàn)成本和提高可靠性。5、可展開空間光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)
關(guān)鍵參數(shù)：用于軍事航天計劃顯著改進(jìn)的光學(xué)復(fù)合材料組件中輕質(zhì)、高剛度精密整體結(jié)構(gòu)，面密度<15 kg/m2、基頻>1.5 kHz；光學(xué)復(fù)合材料組件，在任何坐標(biāo)軸上的線性熱膨脹系數(shù)<5 x 10-6、面密度<20 kg/m2、基頻>1.5 kHz；可見光和紅外波長高反射率、低應(yīng)力、耐用。
關(guān)鍵材料：石墨纖維（高模量碳纖維）復(fù)合材料背景介紹：為了進(jìn)行及時和精確的空間監(jiān)視，軌道力學(xué)要求空間望遠(yuǎn)鏡以越來越高的高度繞地球運(yùn)行。另一方面，光學(xué)物理學(xué)要求，為了保持恒定的角分辨率，較高的軌道望遠(yuǎn)鏡必須有相應(yīng)較大的主鏡直徑。運(yùn)載火箭將高質(zhì)量運(yùn)輸?shù)杰壍郎系某杀竞芨?，因此希望盡量減少望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量，包括光學(xué)器件和結(jié)構(gòu)。減少質(zhì)量的需要采用更薄、更靈活的反射鏡，因此高剛度碳纖維復(fù)合材料用于大型、輕型的反射鏡和結(jié)構(gòu)。儲能飛輪（Energy Storage Flywheels，ESFs）可以將電能有效地存儲為動能，在放電時作為電能返回。動能通常儲存在真空容器中懸浮在磁性軸承上的高速纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子中。無刷直流電動機(jī)/發(fā)電機(jī)用于將電能轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。
ESF優(yōu)點(diǎn)包括提高化學(xué)電池的比能量，支持重復(fù)的深放電循環(huán)，并提供免維護(hù)服務(wù)，其使用壽命通常超過化學(xué)電池的15倍以上。與化學(xué)電池不同的是，ESF可以在廣泛的航天器熱環(huán)境（-30至40°C）中反復(fù)深放電和運(yùn)行，而不會對其預(yù)期壽命產(chǎn)生不利影響。關(guān)鍵材料：儲能飛輪中采用的高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料。7、液體火箭發(fā)動機(jī)噴管技術(shù)
關(guān)鍵參數(shù)：溫度環(huán)境>3000°F；面積比：AR>15；再生冷卻，燒蝕<0.5 mils/sec燒蝕率。關(guān)鍵材料：SiC增強(qiáng)SiC復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料等。
液體火箭推力計算（來源：NASA）
地球軌道衛(wèi)星供電在早期是由晶體硅太陽能電池提供的。后來隨著空間光伏技術(shù)的進(jìn)步，使得電池效率提高，并有效降低了光伏陣列的總重量。現(xiàn)代最先進(jìn)的空間光伏陣列的功率重量比或比功率約為45w/kg。為了利用薄膜太陽能電池的輕量化優(yōu)勢，必須考慮薄膜太陽能電池陣列，薄膜陣列采用輕質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)。這些陣列使用輕質(zhì)材料如高剛度（高模量碳纖維）復(fù)合材料制成支撐元件，并使用形狀記憶合金（SMA）的展開驅(qū)動，使陣列級比功率水平超過150 W/kg。關(guān)鍵參數(shù)：所有復(fù)合材料電機(jī)外殼直徑>0.61米（2英尺或24英寸）；結(jié)構(gòu)效率PV/W>25公里（1x106英寸）；比強(qiáng)度>12x106英寸；比剛度>600x106英寸（參見下表1）。關(guān)鍵材料：樹脂對復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體的改進(jìn)至關(guān)重要。樹脂的關(guān)鍵要素包括：改進(jìn)的高溫樹脂；延長保質(zhì)期的樹脂。通常使用火箭發(fā)動機(jī)外殼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或PV / W以及材料的特定強(qiáng)度和剛度來進(jìn)行外殼性能的比較或度量。關(guān)鍵設(shè)備：生產(chǎn)4軸和5軸纏繞機(jī)，3、4和5自由度的編織機(jī)；大型纏繞和固化設(shè)備；專門為確保復(fù)合材料發(fā)動機(jī)外殼結(jié)構(gòu)的健康而設(shè)計的聲發(fā)射測量設(shè)備；此外，大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如固體火箭發(fā)動機(jī)）的驗(yàn)證試驗(yàn)水平和速率在軍事上是至關(guān)重要的，主要測試包括驗(yàn)證試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)，以及爆破試驗(yàn)與材料強(qiáng)度/性能、安全系數(shù)和安全裕度的關(guān)系；高性能固體火箭發(fā)動機(jī)殼體可使用以下任何或所有部件：圓頂帽、圓頂加強(qiáng)件和圓片（環(huán)箍加強(qiáng)件）。主要應(yīng)用：高強(qiáng)度/剛度復(fù)合材料可用于許多商業(yè)應(yīng)用中，如商業(yè)固體火箭發(fā)動機(jī)、商業(yè)運(yùn)載火箭的儲罐、軍用和非軍用飛機(jī)的飛整流罩和其他部件、體育用品、C＆G儲罐和其他高性能儲罐。可承受性問題：高強(qiáng)度、高剛度的碳纖維由于其低成本而變得越來越容易獲得，因此被廣泛用于商業(yè)產(chǎn)品中。諸如M30S和T700之類的纖維用于制造多領(lǐng)域應(yīng)用的相對便宜的高性能復(fù)合材料。盡管復(fù)合材料的使用，特別是利用碳纖維的復(fù)合材料在商業(yè)世界中得到了擴(kuò)展，但在固體火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用中的信息不應(yīng)輕易獲得。
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