航天器结构用材料应用现状与未来需求.pdf

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1、第27卷第1期航天器环境T程2010勺‘2FjSP：ACECRAFTENVIRONMENTENGrNEERrNG41航天器结构用材料应用现状与未来需求董彦芝，刘=}=E，王国栋，王耀兵，马海全(中国空问技术研究院，北京100094)摘要：航天器结构是所有航天器的重要组成部分和基础，影响航天器结构性能的最主要的因素是结构用材料。文章着重对航天器结构中广泛使用的复合材料、金属材料、防热材料的应用现状进行了分析，同时提出了未来发展需求。关键词：航天器；结构材料；功能材料；复合材料；金属材料；防热材料中图分类号：V25文献标识码：

2、A文章编号：1673—1379(2010)01-0041—04DoI：10．3969／j．issn．1673一1379．2010．01．0071引言航天器结构是指在各种力学环境和空问环境下，为航天器提供支撑骨架和外形，为仪器设备提供固定安装边界，承受和传递载荷，并保持一定刚度、精度和尺寸稳定性的部件和附件的总称。这里，附件是指在空间伸展的航天器本体之外的大型结构件(如太阳翼、天线)或航天器体内大型设备的主承力部分(如相机支架、镜筒)等。航天器结构承受的环境载荷主要包括：地面操作和运输过程中产生的载荷；发射过程中产生的加速度

3、、振动、冲击、噪声等载荷；在轨运行时真空、温度交变、粒子辐照等载荷；再入地球大气层或进入目标星体大气层过程中产生的气动力、气动热、加速度、振动、冲击等载荷。航天器结构形式主要分为：(1)壳体结构——光筒壳、加筋壳、波纹壳、蜂窝夹层壳；(2)板结构——普通蜂窝夹层板、网格蜂窝夹层板、抛物而蜂窝夹层板；(3)承力支架——工字形梁系结构、杆系构架、大尺寸薄壁铸件支架；(4)防热结构——中、低密度烧蚀防热结构。针对不同的使用环境载荷和不同的结构形式，航天器结构用材料可以分为两大类：结构材料和功能材料。结构材料主要指用于提供刚度、强

4、度、安装边界、结构外形的材料，大量使用的是复合材料和金属材料。功能材料主要指用来提供各种特定功能(如防热、密封、胶接、润滑等)的材料，使用量比较多的是防热材料。2复合材料2．1复合材料应用现状复合材料是指由两种或两种以上单一材料，用物理或化学的方法，经人工复合而成的一种多相固体材料。复合材料可保留组分材料的丰要优点，克服或减少组分材料的缺点，还可以产生组分材料所没有的一些优异性能。目前，航天器结构用复合材料基本采用炭纤维(常用的牌号有M60、M55J、M40J、T700、T300等)、玻璃纤维、芳纶纤维作为增强体材料；采用

5、环氧树脂作为基体材料。这种材料具有良好的力学性能，有较高的热稳定性，制造工艺成熟，但也有韧性低、抗冲击差、耐湿热性能筹等缺点。航天器结构采用的复合材料，其已占整星结构材料的较大比例。复合材料结构研制过程中不可避免的问题包括：固化成形后产品存在残余应力，有可能导致产品在温度交变环境下受损；纤维层间强度低，将导致产品(特别是接头)无法承受复杂应力；抗剥离能力较差，导致产品无法承受复杂应力：产品变形，最终将影响产品的精度。2．2复合材料的未来需求针对复合材料结构中所存在的问题，并考虑高收稿日期：2009．11-04；修回日期：2

6、009．12．24基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：董彦芝(1968．)，女，研究员，从事航天器防热结构设计工作。联系电-／g：(010)68746829。42航天器环境工程2010年第27卷分辨率对地观测、激光通信等卫星平台对结构高精度和高稳定性的要求，未来结构用复合材料的研制方向是：使结构产品从单一保证自身强度、刚度性能逐步过渡到同时保证强度、刚度、阻尼、精度、尺寸稳定性等综合性能发展。具体来说，对复合材料的需求表现在以下儿方面。2．2．1纤维材料方面(1)高模量、高强度纤维。在目前比模量、比强度指标相对较高的基

7、础上，进一步提高这方面的性能，特别是高模量，可以有效减轻结构重量。另外，在重点考虑高模量因素的同时，对高强度特别是高压缩强度有更加迫切的需求。(2)高导热率纤维。高导热率纤维主要应用于暴露在星体外的大型结构件，目的是使部件整体温度处在相对均匀的状态，以利于提高尺寸稳定性，降低局部热应力。目前，有高导热要求的结构件一般采用铝合金材料，必要时还需要粘贴热管。遇到的问题是重量大，而且由于热膨胀系数大而导致整体热变形大。2．2。2树脂体系方面目前常用的环氧树脂存在耐高温能力差、低温易产生微裂纹、抗剥离能力差等缺点，凶此，急需在以下

8、方面取得突破。(1)提高树脂的剪切强度和剥离强度，以便通过材料自身的强度提高复合材料层问强度、抗剥离能力和提高复合材料结构件抗复杂应力的能力。树脂的剪切强度要从目前的30～40MPa提高到70～100MPa。(2)降低树脂的固化温度，达到减小结构件残余应力和变形的目的。(3)提高树脂的使用温度范围，根据