【技术干货】盘点美国国防部空间系统用关键技术中的先进碳纤维复合材料（全文典藏版）

摘 要

在美国国防部（Department Of Denfense）发布的Militarily Critical Thechonogies List关于空间系统技术中，多项关键技术涉及到了碳陶复合材料、碳碳复合材料、碳纤维树脂基复合材料等 。

本文主要该技术清单中涉及复合材料领域的多项关键技术，对技术领域的关键参数、关键指标及背景部分等进行了简要介绍。

1、隔振技术

关键参数：所有轴向和横向轴的隔振技术在0–1000Hz带宽内产生基础和有效载荷之间的均方根传递率-5dB；隔振系统质量<有效载荷质量的5%。

关键材料：高阻尼材料，如整流罩用轻质复合材料、新型轻质低成本声阻尼和有源衰减复合材料、具有调谐声阻抗的混合多组分电热毯。

背景介绍：航天器通常使用非常坚固且阻尼很小的有效载荷连接配件（PAF）结构安装在运载火箭上。PAF结构的设计旨在能够承受助推期间的轴向加速度，这会导致沿运载火箭长（z）轴的静态和动态压缩载荷（下图）。由于导航系统的操纵和遇到风切变情况而产生的横向载荷，往往会使运载火箭的机身出现弯曲模式失效，进而驱动航天器的横向位移。运载火箭隔振技术将在轴向和横向两个方向上为PAF增加相当大的灵活性和阻尼，而不会引起过度的轴向、横向或旋转位移。

带坐标系统定义的运载火箭，PAF和航天器位置分布

2、声学缓解技术

关键参数：主动/被动声衰减技术可在0–500z带宽范围内，所有频率（从没有衰减器的基线系统开始）降低≥20分贝；主动/被动声系统质量≤5%整流罩质量，而不增加整流罩的体积。

关键材料：高阻尼材料，如复合整流罩用轻质复合材料；新型轻质、低成本声阻尼和有源衰减复合材料；具有调谐声阻抗的混合多组分电热毯。

背景介绍：振动噪声会导致卫星故障，而声学噪音是由发动机噪声、空气动力学等产生的，在没有隔振技术的情况下，其标称声级为135～145db。影响最大的系统是太阳能阵列、天线、管放大器和轴承/接头。目前的声衰减是通过使用定制缝制的隔音毯来实现的，既昂贵又笨重。此外，声衰减主要由整流罩的质量驱动，由于采用先进复合材料后，整流罩组件的质量大大降低，通过创新的结构元件设计后，可以将声能从关键区域衰减或重新定向。

3、低温复合材料储罐技术

关键参数：要求复合材料能够承受热应力≥50k和压力≥800 psi引起的微裂纹；对于RLV储罐，通过1000次增压和降压循环，能够保持结构的稳定性，且无结构故障。

关键材料：复合材料采用热膨胀系数低的树脂，并且复合材料能够对液氧、液氮、过氧化物、火箭和喷气燃料等具有化学惰性。

背景介绍：低温复合材料储罐不但可以延长太空飞行时间并降低非太空飞行器的重量，而且还可使飞行器以低成本形式进入太空。采用复合材料的低温储罐结构，由于其低重量结构将大大降低空间和非空间飞行器的部署成本，也将允许单级入轨发射复合低温压力容器比传统的金属容器更轻、更便宜。重量节省高达60%对运载火箭发射到太空的成本有很大影响。

4、热控制技术

关键参数：陶瓷基复合材料（CMC）可承受2000°C，时间≥20分钟，以及50次重复使用；金属和金属基复合材料（MMC）成本和机械性能与钛相当，但质量密度更低，且使用温度较高（>700°C）；碳/碳复合材料（RCC）能够在≥18马赫的条件下承受至少50分钟的烧蚀（损耗不超过25%）。

关键材料：陶瓷基复合材料CMC为碳纤维增强碳化硅、碳化硅增强碳化硅复合材料；金属基复合材料MMC为钛合金等基体复合材料 ；RCC碳/碳复合材料要求3D和4D碳/碳复合材料。

背景介绍：热控制系统的目的是保护运载火箭在发射、进入空间和必要时在重返大气层期间免受热损伤。它由若干子系统和技术组成，旨在满足发射系统的独特要求。由于运载火箭结构、任务和设计传统等的多样性，热控制系统在不同的运载火箭系统之间会有很大的差异。新兴的军事发射系统要求强调快速反应、降低作战成本和提高可靠性。

5、可展开空间光学结构技术

关键参数：用于军事航天计划显著改进的光学复合材料组件中轻质、高刚度精密整体结构，面密度<15 kg/m2、基频>1.5 kHz；光学复合材料组件，在任何坐标轴上的线性热膨胀系数<5 x 10-6、面密度<20 kg/m2、基频>1.5 kHz；可见光和红外波长高反射率、低应力、耐用。

关键材料：石墨纤维（高模量碳纤维）复合材料

背景介绍：为了进行及时和精确的空间监视，轨道力学要求空间望远镜以越来越高的高度绕地球运行。另一方面，光学物理学要求，为了保持恒定的角分辨率，较高的轨道望远镜必须有相应较大的主镜直径。运载火箭将高质量运输到轨道上的成本很高，因此希望尽量减少望远镜的质量，包括光学器件和结构。减少质量的需要采用更薄、更灵活的反射镜，因此高刚度碳纤维复合材料用于大型、轻型的反射镜和结构。

6、电力和热力管理技术

主要涉及储能飞轮技术。

储能飞轮（Energy Storage Flywheels，ESFs）可以将电能有效地存储为动能，在放电时作为电能返回。动能通常储存在真空容器中悬浮在磁性轴承上的高速纤维复合材料转子中。无刷直流电动机/发电机用于将电能转换为电能，反之亦然。

ESF优点包括提高化学电池的比能量，支持重复的深放电循环，并提供免维护服务，其使用寿命通常超过化学电池的15倍以上。与化学电池不同的是，ESF可以在广泛的航天器热环境（-30至40°C）中反复深放电和运行，而不会对其预期寿命产生不利影响。

关键材料：储能飞轮中采用的高强度碳纤维复合材料。

7、液体火箭发动机喷管技术

关键参数：温度环境>3000°F；面积比：AR>15；再生冷却，烧蚀<0.5 mils/sec烧蚀率。

关键材料：SiC增强SiC复合材料，碳纤维增强SiC复合材料等。

液体火箭推力计算（来源：NASA）

8、薄膜光伏阵列技术

地球轨道卫星供电在早期是由晶体硅太阳能电池提供的。后来随着空间光伏技术的进步，使得电池效率提高，并有效降低了光伏阵列的总重量。现代最先进的空间光伏阵列的功率重量比或比功率约为45w/kg。

太阳能电池中光伏技术

为了利用薄膜太阳能电池的轻量化优势，必须考虑薄膜太阳能电池阵列，薄膜阵列采用轻质支撑结构。这些阵列使用轻质材料如高刚度（高模量碳纤维）复合材料制成支撑元件，并使用形状记忆合金（SMA）的展开驱动，使阵列级比功率水平超过150 W/kg。

典型的太阳能电池和可展开太阳能电池

9、火箭发动机技术

关键参数：所有复合材料电机外壳直径>0.61米（2英尺或24英寸）；结构效率PV/W>25公里（1x106英寸）；比强度>12x106英寸；比刚度>600x106英寸（参见下表1）。

关键材料：树脂对复合材料发动机壳体的改进至关重要。树脂的关键要素包括：改进的高温树脂；延长保质期的树脂。通常使用火箭发动机外壳的质量分数或PV / W以及材料的特定强度和刚度来进行外壳性能的比较或度量。

关键设备：生产4轴和5轴缠绕机，3、4和5自由度的编织机；大型缠绕和固化设备；专门为确保复合材料发动机外壳结构的健康而设计的声发射测量设备；此外，大型复合材料结构（如固体火箭发动机）的验证试验水平和速率在军事上是至关重要的，主要测试包括验证试验，爆破试验，以及爆破试验与材料强度/性能、安全系数和安全裕度的关系；高性能固体火箭发动机壳体可使用以下任何或所有部件：圆顶帽、圆顶加强件和圆片（环箍加强件）。

主要应用：高强度/刚度复合材料可用于许多商业应用中，如商业固体火箭发动机、商业运载火箭的储罐、军用和非军用飞机的飞整流罩和其他部件、体育用品、C＆G储罐和其他高性能储罐。

可承受性问题：高强度、高刚度的碳纤维由于其低成本而变得越来越容易获得，因此被广泛用于商业产品中。诸如M30S和T700之类的纤维用于制造多领域应用的相对便宜的高性能复合材料。尽管复合材料的使用，特别是利用碳纤维的复合材料在商业世界中得到了扩展，但在固体火箭发动机应用中的信息不应轻易获得。