詳細盤點美國國防部空間系統軍用技術中的碳纖維復合材料
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）發布的Militarily Critical Thechonogies List關于空間系統技術中，多項關鍵技術涉及到了碳陶復合材料、碳碳復合材料、碳纖維樹脂基復合材料等 。本文主要該技術清單中涉及復合材料領域的多項關鍵技術，對技術領域的關鍵參數、關鍵指標及背景部分等進行了簡要介紹。
關鍵參數：所有軸向和橫向軸的隔振技術在0–1000Hz帶寬內產生基礎和有效載荷之間的均方根傳遞率-5dB；隔振系統質量<有效載荷質量的5%。關鍵材料：高阻尼材料，如整流罩用輕質復合材料、新型輕質低成本聲阻尼和有源衰減復合材料、具有調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）結構安裝在運載火箭上。PAF結構的設計旨在能夠承受助推期間的軸向加速度，這會導致沿運載火箭長（z）軸的靜態和動態壓縮載荷（下圖）。由于導航系統的操縱和遇到風切變情況而產生的橫向載荷，往往會使運載火箭的機身出現彎曲模式失效，進而驅動航天器的橫向位移。運載火箭隔振技術將在軸向和橫向兩個方向上為PAF增加相當大的靈活性和阻尼，而不會引起過度的軸向、橫向或旋轉位移。
帶有坐標系統定義的運載火箭，PAF和航天器的位置分布
關鍵參數：主動/被動聲衰減技術可在0–500z帶寬范圍內，所有頻率（從沒有衰減器的基線系統開始）降低≥20分貝；主動/被動聲系統質量≤5%整流罩質量，而不增加整流罩的體積。關鍵材料：高阻尼材料，如復合整流罩用輕質復合材料；新型輕質、低成本聲阻尼和有源衰減復合材料；具有調諧聲阻抗的混合多組分電熱毯。背景介紹：振動噪聲會導致衛星故障，而聲學噪音是由發動機噪聲、空氣動力學等產生的，在沒有隔振技術的情況下，其標稱聲級為135～145db。影響最大的系統是太陽能陣列、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現的，既昂貴又笨重。此外，聲衰減主要由整流罩的質量驅動，由于采用先進復合材料后，整流罩組件的質量大大降低，通過創新的結構元件設計后，可以將聲能從關鍵區域衰減或重新定向。關鍵參數：要求復合材料能夠承受熱應力≥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，能夠保持結構的穩定性，且無結構故障。關鍵材料：復合材料采用熱膨脹系數低的樹脂，并且復合材料能夠對液氧、液氮、過氧化物、火箭和噴氣燃料等具有化學惰性。背景介紹：低溫復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入太空。采用復合材料的低溫儲罐結構，由于其低重量結構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射復合低溫壓力容器比傳統的金屬容器更輕、更便宜。重量節省高達60%對運載火箭發射到太空的成本有很大影響。關鍵參數：陶瓷基復合材料（CMC）可承受2000°C，時間≥20分鐘，以及50次重復使用；金屬和金屬基復合材料（MMC）成本和機械性能與鈦相當，但質量密度更低，且使用溫度較高（>700°C）；碳/碳復合材料（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%）。關鍵材料：陶瓷基復合材料CMC為碳纖維增強碳化硅、碳化硅增強碳化硅復合材料；金屬基復合材料MMC為鈦合金等基體復合材料 ；RCC碳/碳復合材料要求3D和4D碳/碳復合材料。背景介紹：熱控制系統的目的是保護運載火箭在發射、進入空間和必要時在重返大氣層期間免受熱損傷。它由若干子系統和技術組成，旨在滿足發射系統的獨特要求。由于運載火箭結構、任務和設計傳統等的多樣性，熱控制系統在不同的運載火箭系統之間會有很大的差異。新興的軍事發射系統要求強調快速反應、降低作戰成本和提高可靠性。關鍵參數：用于軍事航天計劃顯著改進的光學復合材料組件中輕質、高剛度精密整體結構，面密度<15 kg/m2、基頻>1.5 kHz；光學復合材料組件，在任何坐標軸上的線性熱膨脹系數<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、低應力、耐用。
背景介紹：為了進行及時和精確的空間監視，軌道力學要求空間望遠鏡以越來越高的高度繞地球運行。另一方面，光學物理學要求，為了保持恒定的角分辨率，較高的軌道望遠鏡必須有相應較大的主鏡直徑。運載火箭將高質量運輸到軌道上的成本很高，因此希望盡量減少望遠鏡的質量，包括光學器件和結構。減少質量的需要采用更薄、更靈活的反射鏡，因此高剛度碳纖維復合材料用于大型、輕型的反射鏡和結構。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合材料轉子中。無刷直流電動機/發電機用于將電能轉換為電能，反之亦然。
ESF優點包括提高化學電池的比能量，支持重復的深放電循環，并提供免維護服務，其使用壽命通常超過化學電池的15倍以上。與化學電池不同的是，ESF可以在廣泛的航天器熱環境（-30至40°C）中反復深放電和運行，而不會對其預期壽命產生不利影響。關鍵參數：溫度環境>3000°F；面積比：AR>15；再生冷卻，燒蝕<0.5 mils/sec燒蝕率。關鍵材料：SiC增強SiC復合材料，碳纖維增強SiC復合材料等。
液體火箭推力計算（來源：NASA）
地球軌道衛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的進步，使得電池效率提高，并有效降低了光伏陣列的總重量。現代最先進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勢，必須考慮薄膜太陽能電池陣列，薄膜陣列采用輕質支撐結構。這些陣列使用輕質材料如高剛度（高模量碳纖維）復合材料制成支撐元件，并使用形狀記憶合金（SMA）的展開驅動，使陣列級比功率水平超過150 W/kg。關鍵參數：所有復合材料電機外殼直徑>0.61米（2英尺或24英寸）；結構效率PV/W>25公里（1x106英寸）；比強度>12x106英寸；比剛度>600x106英寸（參見下表1）。關鍵材料：樹脂對復合材料發動機殼體的改進至關重要。樹脂的關鍵要素包括：改進的高溫樹脂；延長保質期的樹脂。通常使用火箭發動機外殼的質量分數或PV / W以及材料的特定強度和剛度來進行外殼性能的比較或度量。關鍵設備：生產4軸和5軸纏繞機，3、4和5自由度的編織機；大型纏繞和固化設備；專門為確保復合材料發動機外殼結構的健康而設計的聲發射測量設備；此外，大型復合材料結構（如固體火箭發動機）的驗證試驗水平和速率在軍事上是至關重要的，主要測試包括驗證試驗，爆破試驗，以及爆破試驗與材料強度/性能、安全系數和安全裕度的關系；高性能固體火箭發動機殼體可使用以下任何或所有部件：圓頂帽、圓頂加強件和圓片（環箍加強件）。主要應用：高強度/剛度復合材料可用于許多商業應用中，如商業固體火箭發動機、商業運載火箭的儲罐、軍用和非軍用飛機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產品中。諸如M30S和T700之類的纖維用于制造多領域應用的相對便宜的高性能復合材料。盡管復合材料的使用，特別是利用碳纖維的復合材料在商業世界中得到了擴展，但在固體火箭發動機應用中的信息不應輕易獲得。
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