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上海交大硬核復合材料助力“夢天”長征五號火箭翱翔

10月31日15時37分,搭載夢天實驗艙的長征五號B遙四運載火箭,在我國文昌航天發射場準時點火發射,約8分鐘,夢天實驗艙與火箭成功分離,精確進入預定軌道。夢天實驗艙上攜帶的大型柔性太陽翼分兩步陸續展開,16時左右柔性太陽翼完成了一次展開,夢天實驗艙與空間站組合體實施交會對接后,其太陽翼二次完全展開。伴隨著夢天實驗艙的成功發射,中國空間站三艙“T字構型”建造任務成功完成,同時也標志著我國空間站建造全面完成。

上海交大硬核復合材料助力“夢天”長征五號火箭翱翔

上海交通大學材料科學與工程學院、金屬基復合材料國家重點實驗室作為助力夢天實驗艙圓滿完成任務的其中一員,解決了空間站大面積柔性太陽翼展開機構關鍵部件的材料問題。從2021年的天和核心艙,至2022年7月的問天實驗艙,再到今天的夢天實驗艙,該團隊研發的數十種規格碳化硅增強鋁基復合材料關鍵構件,應用于中國空間站的柔性太陽翼伸展機構,滿足了大面積柔性太陽翼在功能、精度、穩定性以及可靠性方面的需求,為中國從航天大國邁向航天強國提供了里程碑式的支撐!夢天空間站柔性太陽翼兩翼順利展開,也標志著該團隊一代又一代的科研工作者的青春,與中國航天事業“完美對接”!

上海交大硬核復合材料助力“夢天”長征五號火箭翱翔

輕柔靈巧,骨韌耐磨

一雙“夢天之翼”的獨特之處

與問天實驗艙相同,夢天實驗艙也擁有一雙巨大的“迎光翱翔的翅膀”,這就是夢天實驗艙的柔性太陽翼。柔性太陽翼又稱太陽能帆板或柔性太陽電池陣,它是夢天實驗艙進入太空后的能量來源,堪稱“動力心臟”。太陽翼負責將源源不斷的太陽能轉化為空間站所需的動能,是我國空間站不可或缺的“能量源泉”。

在夢天實驗站尾部配置著我國最大的柔性太陽翼。夢天實驗艙太陽翼單翼展開長度超過27米,兩個太陽翼全部展開長度超過55米,單翼展面面積可達138平方米,全部展開后的翼展超過270余平方米。如此巨大面積的太陽翼會對夢天實驗艙的對接任務產生一定擾動,故夢天實驗艙的太陽翼首先進行第一次展開,以支撐夢天實驗艙在交互對接時擁有充足的動力和電力。這樣復雜的展開過程,對于柔性太陽翼的伸展機構提出了更嚴格的要求。因此,支撐柔性太陽翼的展收工作的材料就必須具備輕質高強、高模量、高耐磨、尺寸穩定等的特性。

上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室教授張荻、歐陽求保團隊研制的碳化硅增強鋁基復合材料,具有輕質、高強度、高模量、耐磨性好、熱膨脹系數低、尺寸穩定性好、導熱系數高等特點,它滿足了航天航空事業對輕質高性能金屬基復合材料的迫切需求,為夢天實驗艙進入太空后的運行做出了重要貢獻。

久久為功,馳而不息

材料性能不斷優化

雖然相比于傳統的小型太陽能帆板,大面積柔性太陽翼有了質的提升。然而,也隨之帶來了理論研究、試驗和仿真的復雜性,系統展開過程中會遇到接觸碰撞、間隙、摩擦等許多問題。因此,為了滿足大規模航天器對于柔性太陽翼的伸展要求,上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室張荻教授和歐陽求保教授團隊,對研制的碳化硅增強鋁基復合材料的綜合性能進行了更為嚴苛的探索。

在回憶起研究實驗過程,張荻教授介紹,“夢天實驗艙中幾百件乃至上千件構件的穩定性問題,是必須克服和跨越的一個問題!”如果一個材料不穩定,那么后續的性能分析猶如空中樓閣。“對于前期的基礎研究和后續的應用研究,我們做了不計其數的研究探索。”張荻教授說道。該團隊通過材料的設計、配方的優化、工藝設計的完善、組份的優化,使得碳化硅增強鋁基復合材料的性能不斷得以完善。在這些過程中,他們勇于創新突破,建立了復合熱力學/動力學、基體合金化與表面改性等SiCp/Al界面容配復合技術,突破了高性能、大規格SiCp/Al復合材料的宏量化可控制備技術,以及SiCp/Al復合材料大型復雜構件的精密成形加工技術,創制出了滿足我國空間站柔性太陽翼展收機構要求的輕質高強多功能鋁基復合材料。


源:上海交通大學
此文由中國復合材料工業協會搜集自網絡,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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