航天器结构材料的应用和发展

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航天返回与遥感

第28卷第1期2007年03月

航天器结构材料的应用和发展

陈烈民

(航天科技集团公司五院神舟学院, 北京 100086)

沃西源

(北京空间机电研究所, 北京 100076)

摘 要 文章首先说明航天器结构材料的定义及其性能要求, 然后简要介绍航天器结构材料的主要类型及其基本性能, 并且综述航天器结构材料的应用概况, 最后指出航天器结构材料的发展趋势。

关键词 航天器结构材料 主要类型 基本性能 应用概况 发展趋势

The Application and Development of Astronautic Structural Material

Chen Liemin

(ShenZhou College of China Acade my of Space Technology, Beijing, 10086)

Wo Xiyuan

(Beijing Institute of Space Mechanics &Electricity, Beijing 100076)

Abstract This paper explained the definition and performance require ment of astronautic structural material, introduced the main types and fundamental characteristics in brief, summarized the scenario of the material At the end of the pa per, the development trend of astronautic structural material was pointed out

Key Words Astronautic structural material Main types Fundamental characteristics Application scenario Development trend

一个特别重要的问题, 需要进行专门研究分析。

1 引言

航天器结构材料是指航天器结构所采用的各种原材料。随着航天器技术的发展, 目前和今后的航天器中也包括了各种产生运动的机构, 机构采用的主要材料基本上与结构材料相同。因此, 文中所述的航天器结构材料也包含了航天器机构材料, 或更确切地说, 航天器结构材料是指航天器机械部分所采用的材料。

航天器结构和机构的性能, 特别是航天器结构的性能在很大程度上取决于材料的性能。因此, 在航天器结构和机构的研制中, 材料的选择和应用是

由于航天器工作环境的特殊性(发射环境和空间环境) , 对于航天器结构材料的要求与对常规机械产品材料的要求有很大区别, 即使与航空结构材料也有所不同。因此航天器对材料性能的基本要求有如下几方面。

1) 轻量化要求。为了提高航天器性能, 降低发射成本, 确保航天器进入规定的空间轨道, 对航天器的质量, 特别是对航天器结构的质量有严格限制。因此必须采用轻型材料, 即采用密度尽量低的材料。

2) 机械性能要求。为了提高结构和机构的自然频率, 防止在发射时引起过大的动态响应载荷和保证航天器姿态控制系统的正常运行, 以及为了提高航天器薄壁结构在发射压缩载荷下的稳定性, 均需

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要提高结构和机构的刚度, 而最有效的途径是采用弹性模量高的材料。另外, 为了更好地承受载荷, 需要采用强度高的材料。根据高模量、高强度的要求与上述低密度要求相结合, 需要采用比模量(材料弹性模量与密度之比) 高和比强度(材料强度与密度之比) 高的材料。其中, 高比模量的要求是航天器结构材料的重要特征。

3) 物理性能要求。根据航天器结构的不同需求, 对材料的物理性能有各种不同要求。如果需要在空间温度变化条件下保持尺寸稳定的结构(如天线结构) , 希望材料具有较小的热膨胀系数。一般结构要求材料有较高的比热和热导率, 使温度分布比较均匀, 以避免过高的温度应力或变形。但有时由于热控或防热需要, 要求结构兼有隔热作用, 则应采用热导率低的材料。为此, 应根据电性能对结构的特殊要求, 采用导电材料或绝缘材料。

4) 耐空间轨道环境要求。对于长期在轨道运行的航天器结构材料, 尤其是对于直接暴露在空间的航天器外部的结构材料, 要求材料具有良好的空间环境稳定性, 包括在真空、温度交变、紫外辐照、电子辐照、原子氧等环境下性能材料的稳定性。5) 材料真空出气要求。在空间真空环境下, 材料出气不仅可能降低材料的性能, 更重要的是污染了邻近的光学、热控或电气设备表面。所以, 对航天器结构材料应提出限制真空出气的要求。一般规定为:材料的总质量损失(TML) 不得大于1%, 收集到的可凝挥发物(C VC M) 不得大于0 1%。

6) 制造工艺性能要求。航天器结构材料要通过各种制造工艺手段才能形成结构和机构产品, 特别是对于复合材料制品, 制造过程也就是材料形成的过程。因此, 材料的制造工艺性能非常重要, 制造工艺性能的好坏将直接影响到材料性能的发挥程度, 甚至可能决定材料的实际使用价值。

目前航天器结构材料可分为金属材料和复合材料两大类, 因此以下均按此分类分别说明材料的性能、应用和发展趋势。

1) 铝合金。其主要特点是密度低, 有较好的比模量和比强度值; 导热性和导电性良好; 抗腐蚀性能好; 制造工艺性能良好; 在所有轻金属材料中成本最

低廉。铝合金的工作温度一般不超过200~300 , 但低温性能很好, 随着温度下降, 强度和塑性还有所增加。

2) 镁合金。其主要特点是密度低, 有较好的比模量和比强度值; 导热性和导电性良好; 减振能力好, 可承受较大的冲击载荷; 制造工艺性能良好。但镁合金具有在大气环境下不耐腐蚀的缺陷。一般说, 镁合金的长期工作温度不超过150 。

3) 钛合金。钛合金与铝、镁、钢等金属材料相比, 具有如下一系列优点和特点:比强度值很高; 抗腐蚀性能良好; 抗疲劳性能良好; 热导率很小; 线膨胀系数较小; 高低温机械性能很好, 一般说可在350 ~450 以下长期使用, 低温可使用到-196 。但也存在一些缺点, 如比模量值较低; 耐磨性较差; 制造工艺较复杂; 材料成本较高。2 2 复合材料的性能

作为航天器结构应用的复合材料主要是纤维增强复合材料。纤维材料主要有以下几种:玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉纤维(Kevlar 纤维) 、硼纤维, 基体材料目前极大多数采用热固性的环氧树脂材料。当今在国内航天器结构中应用的碳/环氧复合材料和凯芙拉/环氧复合材料性能如下。

1) 碳/环氧复合材料。主要优点是密度小, 模量高, 强度高, 良好的热稳定性(线膨胀系数小和纵向线膨胀系数为负值) , 热导率低, 良好的疲劳强度、振动阻尼性能、抗腐蚀性和耐磨性。缺点是为脆性材料, 抗冲击性能低。层间性能差, 材料的各向异性严重, 因此横向性能比纵向性能差得多。有吸湿性, 材料的机加工性能较差, 材料成本较贵。

2) 凯芙拉/环氧复合材料。具有很高的比强度, 较高的抗冲击、抗疲劳性能。良好的热稳定性(线膨胀系数很小并且纵向线膨胀系数为负值) 、隔热性能、阻尼性能、绝缘性能和射频透过性能。材料的工艺性能较好, 可以编织和成形较复杂形状的构件。但材料的压缩强度较低, 弹性模量也不高, 各向异性严重, 有吸湿性, 机加工性能差。

2 航天器结构材料的性能

2 1 金属材料的性能

适合上述航天器结构材料要求的金属材料, 除了少量不锈钢和其它合金材料(如铜合金) 外, 主要

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复合材料中有较大优势, 特别是它具有很高的比模

3 航天器结构材料的应用

3 1 金属材料的应用

由于上述铝合金材料的一系列长处, 在过去和现在一直是航天器的主要结构材料之一。特别是由于铝合金蜂窝夹层结构的应用, 大大提高了航天器结构的刚度和降低了质量, 因而使铝合金在航天器结构和机构上得到了广泛的应用, 例如, 大量应用于航天器舱体结构、各种承载壁板结构、各种仪器安装板、连接法兰和密封容器等。

镁合金在航天器结构中也有一定的应用价值, 特别是可做成形状复杂的大型铸件, 已作为国内航天器舱体的底板, 支承大梁等。但是, 由于镁合金的抗腐蚀能力差, 在产品设计、制造、使用、储存等方面均带来诸多不便。而且总的性能与铝合金相比并无特别的优越之处。因此目前镁合金在国外较铝合金材料要少。

钛合金具有很高的比强度, 并且在高温和低温下仍能保持其优良的性能。因此, 对于需承受较高载荷和应力的零部件, 对于航天器结构的连接件和航天器机构的零部件, 钛合金已成为必不可少的材料。此外, 某些有隔热特殊要求的航天器结构部件, 有时也需采用钛合金。但是, 由于材料的比模量值不高, 制造工艺又比铝、镁合金复杂, 因此在某些结构部件中, 可作为航天器的主要结构材料。3 2 复合材料的应用

玻璃/环氧复合材料(玻璃钢) 是发展最早的复合材料之一, 由于它的强度高、韧性好、工艺性好、成本低廉, 在民用工业中有着广泛的应用, 也曾是早期航天器上应用的结构材料。但由于其比模量太低, 不适合作为航天器的主要结构材料, 因而除了隔热或电绝缘的特殊需要以外, 目前均由其它先进纤维增强复合材料所代替。

硼/环氧复合材料具有不少优良的性能, 如较高的强度和模量, 特别是有较高的抗压强度和层间剪切强度, 以及优良的抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳、抗蠕变, 抗湿性等性能, 在国外航天器上曾得到应用, 主要是作为杆件、壳体和金属结构的增强材料。但由于硼纤维制备成本太高, 纤维较粗而硬, 不适于制造薄壁或形状较复杂的构件, 成型工艺也很困难。因而限制了它的实际应用。

/量值很符合航天器结构材料的需求, 所以, 目前在航天器结构中得到日益广泛的应用。可以制成各种杆件、构架、加筋板壳、夹层板壳等主要或次要的承力构件。综上所述, 今后航天器使用的主要是碳/环氧复合材料(主要是指高模量的碳/环氧复合材料) 是目前在航天器中应用最广泛的复合材料, 特别是以碳/环氧复合材料为面板的铝蜂窝夹层结构已得到了广泛的应用。例如, 用于航天器结构的中心承力筒、各种管件和接头组成的桁架结构、太阳电池阵的基板、天线反射面结构等。凯芙拉/环氧复合材料是继碳/环氧之后新开发的一种复合材料, 是原有玻璃钢制品的替换材料。由于它还具有极低的线膨胀系数以及良好的抗冲击性能、抗疲劳性能、振动阻尼性能、电磁波透过性能、隔热性能等, 在航天器上也得到了一定的应用, 如用于天线结构、隔热结构等。

4 航天器结构材料的发展趋势

4 1 金属材料的发展趋势

如上所述, 铝合金目前仍是航天器结构的基本材料。因此, 如果能再进一步减低其密度而仍保持其现有的优良性能, 则是一个很好的发展方向。自20世纪80年代开始大力研究和开发的铝锂(Al-Li) 合金就适应了这种需要。理论上说, 在铝合金中加入1%的锂(Li) , 可使密度降低3%, 弹性模量提高6%, 从而使比模量约增加10%。采用铝锂合金来替代现有的铝合金, 将可使结构质量减小10%~20%。因此其发展前景是非常诱人的。

以镍钛合金(Ni 的含量为50%~55%) 为主的形状记忆合金目前引起了广泛的重视, 这种镍钛合金的主要特点是:在材料的马氏体逆转变的开始温度以下, 由该材料所作的构件可在一定外力下作任意的变形(其极限应变可达6%~8%) 。然后, 当加热到马氏体逆转变终了温度时, 由于热弹性马氏体相变原理, 可自动恢复到构件原有的形状, 就好像材料具有 记忆! 自身形状的特殊功能。所以, 这种记忆合金是一种有很大实用价值的功能材料。例如, 国内外已采用记忆合金构件替代航天器上火工品释放器, 提高了航天器释放机构的可靠性和安全性。因此, 记忆合金是一种具有很大发展潜力的航天器

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4 2 复合材料的发展趋势

由于对航天器刚度要求的不断提高, 为了提高复合材料的比模量值, 需要采用模量更高的纤维材料, 例如, 碳纤维材料目前已从高模量碳纤维(如M40) 发展到超高模量碳纤维(如M55J 、M60J) 。因此, 高性能碳纤维的发展是一个必然的趋势。

目前大多数复合材料均采用环氧树脂作为基体材料, 但环氧树脂材料存在不少不足之处, 主要是韧性低、抗冲击性差、耐热和耐湿性差。因此, 近年来对复合材料的开发进行了大量的工作。

改进现有基体材料的一种途径是应用性能更好的热固性树脂作为基体材料, 另一种更有前途的途径是研制热塑性树脂作为基体材料, 热塑性材料不仅在韧性、耐热和耐湿性方面大大优于热固性树脂, 并且由于热塑性树脂固有的特性, 具有预浸料不需低温而可长期保存, 其复合材料可反复成型, 成型时间短, 成型后可进行修补等一系列热固性树脂无法达到的优点。

另外, 树脂基复合材料与金属材料相比也存在不少不足之处。其原因在很大程度上与采用的基体材料有关, 因此, 考虑采用金属材料作为基体材料, 以利用金属基体材料的优势来弥补现有树脂基复合材料性能的不足, 可把复合材料性能提高到一个新的水平。目前已研究的金属基复合材料的种类很多。其中, 硼/铝复合材料曾在美国航天飞机结构(机身框的管件) 中得到过应用。对于航天器结构和机构, 碳纤维/铝合金和碳化硅颗粒/铝合金复合材料将是比较适合的新材料。碳纤维/铝合金具有低膨胀系数, 特别适用于要求尺寸稳定的航天器构件。

碳化硅颗粒/铝合金复合材料在制造工艺、生产成本、界面性能等方面, 比其它金属基复合材料有一定优势, 可以替代普通铝合金作为耐磨传动部件、连接部件等, 它已在国内航天器上得到应用。随着复合材料材料性能的稳定和提高, 成型工艺的不断完善, 质量控制方法的不断改进, 制造成本的相应降低, 复合材料必然会逐渐取代各种金属材料, 成为航天器结构的主要材料。

参考文献

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作者简介:陈烈民, 男, 1936年生, 毕业于上海交通大学机

械系, 清华大学工程力学系研究生班, 研究员, 长期从事航天器结构与机构设计, 现任空间技术研究院神舟学院教授

沃西源, 男, 1942年生, 毕业于国防科技大学本科, 研究员, 中国复合材料学会理事, 中国玻璃钢/复合材料学会理事。