复合材料如何塑造太空探索历程

2019年7月20日是阿波罗登月50周年。虽阿波罗舱建造时复合材料产业尚处萌芽、材料未广泛应用，但阿波罗舱使用早期复合技术：Avcoat烧蚀热盾，环氧酚醛树脂含硅纤维于玻璃纤维-酚醛蜂窝基体中。玻璃纤维蜂窝粘结于主结构，膏状材料逐个单元注入。自阿波罗以来，先进复合材料跨越式发展，在运载火箭、航天飞机、卫星、空间望远镜、国际空间站等空间项目中发挥重要作用。

如今人类正站在激动人心的新太空探索步伐前。现政府呼吁2024年美宇航员重返月球，宣布2021财年国家航空航天局（NASA，美国华盛顿特区）载人航天探索预算超250亿美元。NASA局长Jim Bridenstine称预算是“NASA历史最强预算之一”。

除再登月，NASA现有和即将执行任务探索从太阳到外层行星冰卫星乃至更远的太阳系。探索太阳任务进行中：撰文时帕克太阳探测器正监测太阳大气，太阳轨道器成功发射。凌日系外行星勘测卫星（TESS）任务和詹姆斯·韦伯太空望远镜推进系外行星和遥远星系探索，后者过去年向发射就绪迈出巨大步伐。

国家国际航天机构及商业公司加强合作催生新飞船项目。如SpaceX（美国加州霍桑）龙飞船、波音航天发射（美国弗吉尼亚州阿灵顿）星际客机竞逐2011年7月航天飞机计划终止后首个美载人航天飞行。两公司与NASA执行试飞，冀2021年载人任务。

从NASA航天计划加强支持到商业航天爆发式增长，人类似真正站在下一个伟大太空时代门槛。复合材料和先进材料在制造实现所有探索的发射器、飞船、仪器中扮演日益重要角色。

月球

重返月球总项目以希腊月狩女神阿耳忒弥斯命名——阿波罗孪生妹妹——项目规模宏大。阿耳忒弥斯将建立月球轨道基地，让宇航员不只进一步探索月球，也将月球作为最终火星任务前哨。阿耳忒弥斯含多子项目：新重型发射系统太空发射系统（SLS）、奥里翁载人飞船、月球轨道空间站门户、月球着陆器。先进复合材料以各种方式贯穿所有组件。

重型发射器

SLS火箭级准备发运。来源 | NASA

太空发射系统（SLS）

NASA新重型运载火箭旨在实现地球轨道外探索。2015年NASA投资Electroimpact（美国华盛顿州穆基尔特奥）自动铺丝（AFP）机制造大型火箭部件，含直径超8米碳纤维蒙皮铝蜂窝芯夹层结构。AFP头持最多16卷碳纤维，置于21英尺机械臂末端，将纤维按精确模式铺设于工装表面形成各形状尺寸结构。

RUAG Space（美国阿拉巴马州迪凯特）用手工铺层制造类似夹层结构。公司与Dynetics（阿拉巴马州亨茨维尔）合作通用级适配器（USA），连接SLS上级与奥里翁载人舱。RUAG Space将制造适配器8.4米直径壳体，含四块复合蜂窝芯四分之一面板热粘结合（了解更多）。

奥里翁多用途载人飞船

由洛克希德·马丁（美国马里兰州贝塞斯达）制造指令舱、欧洲航天局（ESA，法国巴黎）提供空客防务航天（德国奥托布伦）制造服务舱组成，奥里翁是阿耳忒弥斯核心，将宇航员送入太空、作为太空旅行探索飞船、返回地球。

奥里翁推进系统含Aerojet Rocketdyne（美国加州萨克拉门托）制造众多部件，含八台基于R-4D发动机家族110磅推力双推进剂辅助发动机。Aerojet Rocketdyne还提供发射中止系统（LAS）抛离电机和飞船复合材料缠绕增压罐。2020年初Aerojet Rocketdyne装碳纤维缠绕机生产固体火箭发动机壳体（了解更多）。

再入用奥里翁5米直径碳纤维热盾，洛克希德·马丁制造，夹层结构含碳纤维蒙皮钛蜂窝芯。热盾再覆Avcoat面板——同阿波罗任务烧蚀材料（了解更多）。

四个烧蚀材料压缩垫用钛螺栓连接热盾于指令舱与服务舱连接点。压缩垫须承受发射上升结构载荷、分离两舱爆炸螺栓焰冲击（pyro-shock），也须满足再入高温耐烧蚀需求。首飞奥里翁试验飞行器用碳纤维/酚醛垫，飞后显示层间裂纹，被名为3D多功能烧蚀TPS（3D-MAT）的3D编织方案替代，用Bally Ribbon Mills（美国宾夕法尼亚州巴利）3D编织石英材料和Toray先进复合材料氰酸酯树脂体系（了解更多）。

月球轨道平台-门户（LOP-G）

门户是NASA联合俄罗斯、加拿大、日本、欧洲航天机构开发的月球轨道空间站。门户角色支持月球探索、作为最终火星任务前哨。各模块开发中，可能以某些方式采用复合材料。

空军研究实验室（AFRL；美国俄亥俄州代顿）和Deployable Space Systems用高应变复合材料（HSC）开发卷出式太阳能阵列（ROSA）将用于门户项目。HSC是薄轻复合材料，设计为小包装收纳、展开部署。ROSA系统用两根碳纤维HSC臂卷出张紧大型太阳能阵列毯（了解更多HSC）。

另一潜在门户贡献是加拿大臂3。加拿大航天局（加拿大魁北克隆格伊尔）提议，用碳纤维复合材料制造8.5米机械臂。前代加拿大臂用于航天飞机和国际空间站（ISS）。

月球着陆器

多公司研发阿耳忒弥斯月球着陆系统概念，均含复合材料潜力。如Blue Origin（美国华盛顿州肯特）联合洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼（美国弗吉尼亚州福尔斯彻奇）、Draper（美国马萨诸塞州剑桥）提议三飞行器着陆系统：Blue Origin蓝月月球着陆器、诺斯罗普·格鲁曼提供“转移级”飞行器将着陆系统定位月球轨道、洛克希德·马丁提供“上升级”飞行器将宇航员从月表送回月球轨道。Draper提供下降制导系统和飞行航空电子。其他研发月球着陆器概念公司含波音、Dynetics、SpaceX、内华达山脉公司（美国科罗拉多州路易斯维尔和威斯康星州麦迪逊）。

除载人月球着陆器，NASA预期还需中小型月球着陆器支持多样科学调查和大型技术演示载荷。

阿耳忒弥斯航天服

2019年10月NASA发布两新航天服设计——新探索舱外活动机动单元（xEMU）和奥里翁乘员生存系统（OCSS）航天服——均用于阿耳忒弥斯登月任务。

xEMU航天服据报提供比现用舱外活动（EVA）航天服大幅改进机动范围。据与NASA制造航天服长期合作的ILC Dover（美国特拉华州弗雷德里卡）称，xEMU是2016年交付NASA名为Z-2先进行走航天服更新版。

“2016年以来ILC Dover持续改进行走航天服、零重力航天服和发射入舱航天服设计，”ILC Dover产品营销Dan Klopp说。

Z-2航天服原型设计含碳/环氧躯干和髋部元件。（见“火星上非随便什么航天服都行”了解复合材料航天服应用。）

NASA 奥里翁乘员生存系统（OCSS）航天服设计为奥里翁乘员加压发射入舱服。NASA未发布新设计材料细节，但稳妥预测涉及大量复合材料。航天飞机时代发射入舱服外层用杜邦（美国弗吉尼亚州里士满）阻燃间位芳纶Nomex。早期舱外活动机动单元（EMU）用Nomex、杜邦开发对位芳纶Kevlar、W.L. Gore & Assoc.（美国特拉华州纽瓦克）防水透气Gore-Tex组合（了解更多）。

火星

阿耳忒弥斯倡议大部分为载人登陆火星铺路。同时NASA也朝今夏无人火星任务努力，将建立新机器人漫游车和机器人探索直升机于红色星球。

胶囊状气动外壳将保护火星2020漫游车进入火星大气着陆。气动外壳为铝蜂窝芯碳纤维蒙皮。热盾用瓦片状酚醛浸渍碳烧蚀器（PICA）热防护系统。

火星2020漫游车约10英尺长、9英尺宽、7英尺高（3米长、2.7米宽、2.2米高）。NASA未发布漫游车建造材料细节，但知Advanced Composites Training（ACT，加拿大安大略省伦敦）曾任NASA喷气推进实验室（JPL，美国加州帕萨迪纳）顾问，就火星2020漫游车建造复合材料使用提供咨询（了解更多）。

重2,314磅（1,050公斤），漫游车比普通紧凑车轻。需兼顾轻量化耐用性完成火星旅程，又须足够强承载相机科学仪器及火星直升机——另一复合材料密集飞行器用于探索星球。

火星直升机由1500+个碳纤维、航空级铝、硅、铜、箔、泡沫零件构成，重不超4磅（1.8公斤）（了解更多）。

太阳

两任务当前进行改善对太阳及其行为理解，最终目标预测影响地面电力系统、卫星通信、GPS的太阳风暴。

帕克太阳探测器

帕克太阳探测器2018年8月发射，执行就日测量成像研究太阳日冕和太阳风。为耐受该区极端温度，探测器用4.5英寸厚轻质反射盾。此热防护系统（TPS）由碳纤维复合泡沫夹层两层碳层压板、向日面涂白色陶瓷漆组成。盾由约翰霍普金斯应用物理实验室（美国马里兰州劳雷尔）设计，Carbon-Carbon Advanced Technologies（美国德克萨斯州肯尼代尔）制造。

探测器大部分仪器藏TPS后，热盾边缘传感器保持飞船正确定位。供电太阳能阵列可缩回热盾阴影保护。简单循环水冷系统循环约1加仑水保持太阳能阵列和仪器冷却。

2019年1月NASA报告帕克太阳探测器第四次近日点（perihelion）后按设计运行。TPS达新纪录温度1,134°F（612°C），但热盾后飞船仪器保持约85°F（30°C）。2024-25年最近三次近日点TPS将见约2,500°F（1,370°C）。

太阳轨道器

太阳轨道器，欧洲航天局（ESA）和NASA合作任务，2020年2月发射。轨道器独特轨迹将允许其全套仪器提供首张太阳两极图像。

飞船受碳纤维复合材料/钛分层太阳盾保护，含各仪器孔径。324磅热盾耐970°F（521°C），用0.05毫米钛箔反射热量。盾由2.94×2.56米、约5厘米厚支撑面板支撑，为轻质铝蜂窝芯双高导热碳纤维蒙皮。多层绝缘提供进一步保护，耐572°F（300°C）。太阳轨道器热盾涂薄层黑色磷酸钙。

太阳系之外

2019年8月诺斯罗普·格鲁曼加州雷东多海滩设施工程师首次机械连接詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）光学望远镜元件（含镜面和科学仪器）与航天器元件（结合JWST遮阳屏和航天器）。虽望远镜两组件单独测试过，但标志着两半首次合二为一单一观测台。里程碑对韦伯望远镜向2021年计划发射迈进至关重要。

JWST是有史以来最强大复杂空间望远镜——比哈勃望远镜强100倍。设计用红外光探索宇宙，允许天文学家观测宇宙最遥远天体，提供遥远恒星、系外行星、首批星系形成图像。望远镜也是复合材料赋能卫星航天器的激动人心例证。

望远镜平台含三主要组件——光学望远镜元件（OTE）、集成科学仪器模块（ISIM）、航天器元件（SCE），含航天器总线和网球场大小遮阳屏。

JWST用碳纤维背板支撑望远镜镜面、仪器和其他元件——总计超2,400公斤（2.5吨）硬件。结构也负责长时间集光期间保持望远镜稳定。背板极端温度-406°F至-343°F（-243°C至-208°C）下变形不超38纳米。

背板由Toray先进复合材料碳纤维和Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福）氰酸酯树脂预浸料制成。结构含超10,000轻量碳纤维复合材料零件。整个背板结构含中段、翼组件、背板支撑夹具（BSF），全展开约24英尺高×19.5英尺宽×11英尺深（7.3×5.9×3.4米）。重仅2,180磅（989公斤），却支撑超7,300磅（3,311公斤）仪器——有效载荷超自重300%。

除主镜背板结构，JWST OTE含可展开塔组件（DTA）、次镜支撑结构、ISIM框架容纳望远镜科学仪器和冷却系统。这些结构用Toray先进复合材料超高模量碳纤维和氰酸酯树脂预浸料制造。

“这些材料是极佳光学平台材料，”Toray热固性产品经理Sean Johnson说。“UHM纤维高刚度提供极稳定结构[并]提供一定阻尼。在JWST将遇超低温下表现极佳。”

SCE即航天器总线，也用Toray碳纤维复合材料，容纳推进、观测台支持系统、太阳能、主动冷却、通信。总线须同时轻量化又能承受相当45吨力、支撑发射时观测台。

2019年10月JWST成功通过遮阳屏展开测试，现计划2021年发射（了解更多）。

巨大飞跃

未来几年将铺垫全新太空探索时代。随新黄金时代所需飞船系统持续演进，复合材料供应商制造商将不断受挑战推动材料技术新极限。