太空竞赛中的复合材料

2019 年 7 月 20 日是第一个 阿波罗 诞生 50 周年 登陆月球。虽然，当时阿波罗 胶囊建成后，复合材料行业仍处于起步阶段，材料尚未广泛使用，Apollo 胶囊采用早期复合技术，采用由 Avcoat 制成的烧蚀隔热罩形式，Avcoat 是一种环氧酚醛树脂，在玻璃纤维-酚醛蜂窝基质中含有二氧化硅纤维。玻璃纤维蜂窝被粘合到主要结构上，糊状材料单独注入每个单元格中。由于阿波罗 , 先进复合材料取得了突飞猛进的发展，并在运载火箭、航天飞机、卫星、太空望远镜和国际空间站的太空计划中发挥了重要作用。

今天，人类发现自己已准备好迈向太空探索的一些激动人心的新步骤。现任政府呼吁美国宇航员在 2024 年之前重返月球，并宣布了 2021 年为美国国家航空航天局（美国宇航局，华盛顿特区，美国）载人太空探索计划提供超过 250 亿美元的预算。 NASA 局长 Jim Bridenstine 表示，该预算是“NASA 历史上最强大的预算之一。”

除了另一次月球拍摄之外，美国宇航局还有当前和即将进行的任务，以研究我们的太阳系，从太阳到最外层行星的冰卫星以及更远的地方。探索太阳的任务目前正在进行中：在撰写本文时，帕克太阳探测器目前正在监测太阳的大气层，并且太阳轨道器已成功发射。通过凌日系外行星勘测卫星（TESS）任务和詹姆斯韦伯太空望远镜，进一步探索系外行星和遥远星系的努力也在进行中，后者在过去一年中在发射准备方面取得了长足的进步。

近年来，国家和国际航天机构以及商业公司之间加强合作也产生了新的航天器和计划。例如，SpaceX（美国加利福尼亚州霍桑）及其Crew Dragon 航天器，以及波音航天与发射（美国弗吉尼亚州阿灵顿）及其 Starliner 自 2011 年 7 月航天飞机计划停止以来，美国航天器正在向首次载人航天飞行。这两家公司一直在与 NASA 进行试飞，希望在 2021 年进行载人任务。

从美国宇航局太空计划的增加支持到商业太空的爆炸性增长，人类似乎真的为下一个伟大的太空时代做好了准备。复合材料和先进材料在使所有这些探索成为可能的发射器、航天器和仪器的制造中发挥着越来越大的作用。

月亮

使人类重返月球的总体计划以希腊月亮和狩猎女神阿耳忒弥斯的名字命名，阿波罗的孪生姐妹——该计划的范围非常广泛。 阿尔忒弥斯 将建立一个月球轨道基地，让宇航员不仅可以进一步探索月球，还可以将月球作为最终前往火星任务的前哨基地。 Artemis 由几个项目组成 计划，包括一个新的重型发射系统，称为太空发射系统 (SLS)，猎户座 船员船，一个月球轨道空间站，称为Gateway 和月球着陆器。先进的复合材料以一种或另一种方式融入所有这些组件。

重型发射器。 SLS 火箭级正在准备发货。来源 |美国宇航局

太空发射系统 (SLS)

NASA 的新型重型运载火箭旨在实现地球轨道以外的探索。 2015 年，美国宇航局投资了一台 Electroimpact（美国华盛顿州穆基尔泰奥）自动纤维铺放 (AFP) 机器，用于制造大型火箭部件，包括直径超过 8 米的夹层结构，夹层结构由带有铝蜂窝芯的碳纤维表层制成。 AFP 头最多可容纳 16 个碳纤维线轴，并位于 21 英尺长的机械臂末端，该机械臂将纤维以精确的图案放置在工具表面上，以形成不同形状和大小的结构。

RUAG Space (Decatur, Ala., U.S.) 使用手动叠层工艺创建了类似的夹层结构。该公司正在与 Dynetics（美国阿拉巴马州亨茨维尔）合作开发通用舞台适配器（美国），该适配器将加入 Orion 的 SLS 上层 船员模块。 RUAG Space 将制造该适配器的 8.4 米直径外壳，该外壳由四块复合蜂窝芯四分之一面板组成，这些面板将热粘合在一起（了解更多）。

猎户座多用途乘员车

由洛克希德马丁公司（美国马里兰州贝塞斯达）制造的指挥模块和欧洲航天局（欧洲航天局，法国巴黎）提供并由空中客车防务与航天公司（德国奥托布伦）制造的服务模块组成，猎户座 是Artemis的核心 计划，将搭载宇航员到太空，在太空旅行中充当探索工具，并将宇航员送回地球。

猎户座 的推进系统包括许多由 Aerojet Rocketdyne（美国加利福尼亚州萨克拉门托）制造的部件，包括八台基于 Aerojet Rocketdyne 的 R-4D 发动机系列的 110 磅推力生物推进剂辅助发动机。 Aerojet Rocketdyne 还为航天器提供发射中止系统 (LAS) 抛掷马达和复合材料外包裹压力容器。 2020 年初，Aerojet Rocketdyne 安装了一台碳纤维缠绕机来生产其固体火箭发动机外壳（了解详情）。

对于再入，猎户座 使用由洛克希德马丁公司制造的直径 5 米的碳纤维隔热罩 它被制造为具有碳纤维表皮和钛蜂窝芯的夹层结构。然后将隔热罩覆盖在 Avcoat 面板上——与用于 Apollo 的烧蚀材料相同 任务（了解更多）。

四个烧蚀材料压缩垫通过钛螺栓连接到隔热罩上，在命令模块连接到服务模块的地方。压缩垫必须能够抵抗发射和上升过程中的结构载荷，以及两个模块分离过程中的热震（来自爆炸螺栓）。它们还必须满足对耐高温和消融的再入要求。碳纤维/酚醛垫用于首飞Orion 测试车辆，但在飞行后显示出层间裂缝的证据，并被称为 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) 的 3D 编织解决方案取代，该解决方案使用来自 Bally Ribbon Mills（巴利，宾夕法尼亚州，美国）的 3D 编织石英材料) 和来自 Toray Advanced Composites 的氰酸酯树脂系统（了解更多信息）。

月球轨道平台-网关（LOP-G）

Gateway 是一个月球轨道空间站，由 NASA 与包括俄罗斯、加拿大、日本和欧洲航天机构在内的国际合作伙伴共同开发。 网关 角色是支持月球探索，并作为最终火星任务的前哨基地。该站的各种模块正在开发中，可能会以某种方式采用复合材料。

由空军研究实验室（AFRL；美国俄亥俄州代顿市）和使用高应变复合材料 (HSC) 的可部署空间系统开发的推出太阳能电池阵列 (ROSA) 将用于网关计划。 HSC 是一种轻薄的复合材料，旨在装入小包装中并通过展开展开部署。 ROSA 系统使用两个碳纤维 HSC 吊杆来展开和张紧大型太阳能电池阵列毯。 （了解有关 HSC 的更多信息）。

对 Gateway 的另一个潜在贡献是 Canadaarm-3。该设备由加拿大航天局（加拿大魁北克省隆格伊）提出，是一个 8.5 米长的机械臂，由碳纤维复合材料制成。以前的加拿大臂系统已用于航天飞机和国际空间站 (ISS)。

月球着陆器

许多公司正在为 Artemis 开发登月系统概念 ，所有这些都包括复合材料的潜力。例如，Blue Origin（美国华盛顿州肯特市）正在与洛克希德马丁公司、诺斯罗普格鲁曼公司（美国弗吉尼亚州福尔斯彻奇）和德雷珀公司（美国马萨诸塞州剑桥）合作开发一个提议的三车登月系统： Blue Origin 的蓝月亮 月球着陆器、诺斯罗普·格鲁曼公司提供的将着陆系统定位在月球轨道上的“转移元件”飞行器，以及洛克希德·马丁公司提供的将宇航员从月球表面返回月球轨道的“上升元件”飞行器。 Draper 将提供下降引导系统和飞行航空电子设备。其他几家致力于月球着陆器概念的公司包括波音、Dynetics、SpaceX 和 Sierra Nevada Corp.（美国科罗拉多州路易斯维尔和威斯康星州麦迪逊）。

除了载人登月器，NASA 预计还需要中小型登月器，以支持各种科学调查和大型技术演示有效载荷。

阿尔忒弥斯套装

2019 年 10 月，美国宇航局公布了两种新的太空服设计——一种新的探索舱外机动装置 (xEMU) 和猎户座船员生存系统 (OCSS) 服——两者都将用于 Artemis 计划登月任务。

据报道，与目前用于舱外活动 (EVA) 的套装相比，xEMU 套装提供了更大范围的机动性。据与 NASA 制造宇航服有着长期合作关系的 ILC Dover（美国特拉华州弗雷德里卡）表示，xEMU 宇航服是 2016 年交付给 NASA 的先进步行服 Z-2 的升级版。

“自 2016 年以来，ILC Dover 一直在改进步行服、零重力服和入门服的设计，”ILC Dover 的产品营销 Dan Klopp 说。

Z-2 宇航服原型在设计中采用碳/环氧树脂躯干和臀部元素。 （有关复合材料在太空服中的使用的更多信息，请参阅“在火星上，不仅仅是任何宇航服都可以”。）

NASA 的 OCSS 宇航服被设计为 Orion 的加压发射和进入服 机组人员。虽然 NASA 尚未公布新设计中材料的详细信息，但可以肯定的是，其中涉及到相当数量的复合材料。航天飞机时代的发射和入门套装采用杜邦（美国弗吉尼亚州里士满）阻燃间位芳纶 Nomex 的外层。以前的舱外机动装置 (EMU) 使用了 Nomex、对位芳纶 Kevlar（也由杜邦开发）和 Gore-Tex（由 W.L. 制造的防水透气织物膜）的组合。戈尔公司（美国特拉华州纽瓦克）（了解详情）。

火星

Artemis 的很大一部分 该倡议正在为将人类送上火星奠定基础。与此同时，美国宇航局也在努力争取今年夏天的火星无人任务，该任务将在这颗红色星球上建立一个新的机器人漫游车和一个机器人探索直升机。

在进入火星大气层和着陆期间，一个胶囊形的气壳将保护火星 2020 火星车。航空外壳由带有碳纤维表皮的铝蜂窝制成。隔热罩使用平铺的酚醛浸渍碳烧蚀剂 (PICA) 热保护系统。

Mars 2020 Rover 本身大约有 10 英尺长、9 英尺宽和 7 英尺高（3 米长、2.7 米宽、2.2 米高）。虽然 NASA 尚未公布有关用于建造漫游车的材料的详细信息，但众所周知，Advanced Composites Training（加拿大安大略省伦敦 ACT）曾担任 NASA 喷气推进实验室（JPL，美国加利福尼亚州帕萨迪纳市）的顾问) 关于使用复合材料建造 Mars 2020 火星车（了解更多）。

漫游车重 2,314 磅（1,050 公斤），比一般的紧凑型汽车轻。它需要既轻便又耐用，以便前往红色星球的旅程，还需要足够坚固以携带相机和科学仪器，以及火星直升机——另一种将用于探索地球的复合材料密集型飞行器.

Mars Helicopter 由 1,500 多块碳纤维、飞行级铝、硅、铜、箔和泡沫构成，重量不超过 4 磅（1.8 公斤）（了解详情）。

太阳

目前正在进行两项任务，以提高我们对太阳及其行为的了解，最终目标都是预测可能影响地面电力系统、卫星通信和 GPS 的太阳风暴。

帕克太阳探测器

帕克太阳探测器 于 2018 年 8 月发射并进行原位测量和成像，以研究太阳和太阳风的日冕。为了承受该地区的极端温度，探头使用了 4.5 英寸厚的轻型反射罩。这种热保护系统 (TPS) 由夹在两个碳层压板之间的碳纤维复合泡沫制成，并在面向太阳的表面涂上白色陶瓷涂料。该防护罩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，并由 Carbon-Carbon Advanced Technologies（美国德克萨斯州肯尼代尔）制造。

探测器的大部分仪器都藏在 TPS 后面，并且沿隔热罩边缘的传感器使航天器保持正确定位。用于为飞行器供电的太阳能电池板可以缩回到隔热罩的阴影中以进行保护。还采用了一个简单的冷却系统，该系统通过循环大约一加仑的水来运行，以保持太阳能电池阵列和仪器的冷却。

2019 年 1 月，美国宇航局报告说，帕克太阳探测器 在第四次接近太阳（称为近日点）之后，它按照设计运行。该飞行器的 TPS 达到了 1,134º F (612º C) 的新记录温度，尽管该防护隔热罩后面的航天器和仪器仍保持在大约 85º F (30º C) 的温度。在 2024-25 年航天器最近的三个近日点期间，TPS 的温度将在 2,500º F (1,370º C) 左右。

太阳轨道器

太阳轨道器 是欧洲航天局 (ESA) 和 NASA 之间的一项合作任务，于 2020 年 2 月发射。该轨道飞行器处于独特的轨道上，这将使其综合仪器能够提供有史以来第一张太阳两极的图像。

该航天器由碳纤维复合材料/钛层状太阳能屏蔽罩保护，该屏蔽罩带有用于各种仪器的孔。 324 磅的隔热罩可承受高达 970º F (521º C) 的温度，并使用 0.05 毫米厚的钛箔层来反射热量。防护罩由 2.94 x 2.56 米的支撑板支撑，支撑板厚约 5 厘米，由轻质铝蜂窝制成，带有两个高导热碳纤维表层。能够承受 572º F (300 °C) 的多层绝缘提供了进一步的保护。太阳轨道器的隔热罩涂有一层薄薄的黑色磷酸钙。

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太阳系之外

2019 年 8 月，美国加利福尼亚州雷东多海滩诺斯罗普格鲁曼公司设施的工程师将詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 的光学望远镜元件（包括镜子和科学仪器）与航天器元件（结合 JWST 的）机械连接起来遮阳板和航天器，这是第一次。尽管望远镜的两个组件都经过单独测试，但这标志着两半首次合并为一个天文台。随着望远镜计划于 2021 年发射，这一里程碑对韦伯来说是一个重要的里程碑。

JWST 是有史以来最强大、最复杂的太空望远镜——比哈勃望远镜强大 100 倍。该望远镜旨在使用红外光探索宇宙，将允许天文学家观察宇宙中最遥远的物体，提供遥远恒星、系外行星和最初形成的星系的图像。该望远镜也是复合材料如何使卫星和航天器成为可能的一个令人兴奋的例子。

望远镜平台由三个主要组件组成——光学望远镜元件 (OTE)、综合科学仪器模块 (ISIM) 和航天器元件 (SCE)，其中包括航天器总线和网球场大小的遮阳板。

JWST 采用碳纤维背板来支撑望远镜的反射镜、仪器和其他元件——总共超过 2,400 公斤（2.5 吨）的硬件。该结构还负责在长时间的光收集期间保持望远镜稳定。尽管极端温度范围从 -406°F 到 -343°F（-243°C 到 -208°C），但背板的变化不能超过 38 纳米。

背板由包含由 Toray Advanced Composites 提供的碳纤维和来自 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的氰酸酯树脂的预浸料制成。该结构包括 10,000 多个轻质碳纤维复合材料部件。整个背板结构包括中央部分、机翼组件和背板支撑固定装置 (BSF)，在完全部署时大约 24 英尺高、19.5 英尺宽、11 多英尺深（7.3 x 5.9 x 3.4 米）。它的重量仅为 2,180 磅（989 公斤），但将支持重量超过 7,300 磅（3,311 公斤）的仪器——有效载荷超过其自身重量的 300%。

除了主镜和背板结构之外，JWST 的 OTE 还包括其可展开塔架组件 (DTA)、次镜支撑结构和容纳望远镜科学仪器和冷却系统的 ISIM 框架。这些结构由 Toray Advanced Composites 的超高模量碳纤维和氰酸酯树脂预浸料制成。

“这些材料是非常好的光学平台材料，”东丽热固性产品经理 Sean Johnson 说。 “UHM 纤维的高刚度提供了非常稳定的结构 [并且] 提供了一定的阻尼。它在低温下非常好 [JWST] 将会看到。”

SCE 或航天器总线也由东丽的碳纤维复合材料制成，并装有航天器的推进、天文台支持系统、太阳能、主动冷却系统和通信。巴士必须同时重量轻，同时能够承受相当于 45 吨的力，同时在发射期间支撑天文台。

2019 年 10 月，JWST 成功通过了遮阳罩部署测试，目前计划于 2021 年推出。（了解更多）。

巨大的飞跃

未来几年将为太空探索的全新时代奠定基础。随着这个新黄金时代所需的航天器和系统不断发展，复合材料供应商和制造商将不断面临挑战，将材料和技术推向新的极限。