高性能聚合物基復(fù)合材料在航天器承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展。闡述了其發(fā)展歷程、在航天器承力結(jié)構(gòu)不同類(lèi)型中的應(yīng)用情況，分析了應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，并展望了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，旨在為該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。

一、引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)航天器性能的要求日益提高，輕量化、高強(qiáng)度、高剛度成為航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)。高性能聚合物基復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等特性，在航天器承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)。深入了解其在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，對(duì)于推動(dòng)航天技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

二、高性能聚合物基復(fù)合材料概述

高性能聚合物基復(fù)合材料是由高性能聚合物作為基體，與增強(qiáng)材料（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）復(fù)合而成。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同，可分為碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料等。在航空航天領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。

三、發(fā)展歷程

（一）初步應(yīng)用階段（20世紀(jì)70 - 80年代）

我國(guó)航天器研制初期，隨著第一顆航天器東方紅一號(hào)的研制，復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時(shí)主要限于次級(jí)結(jié)構(gòu)。例如，1970年成功發(fā)射的東方紅一號(hào)，其主結(jié)構(gòu)為球形72面體鋁合金蒙皮骨架式殼體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中采用了玻璃纖維承力錐。1975年我國(guó)首顆返回式衛(wèi)星成功發(fā)射，防熱結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料是典型的功能復(fù)合材料，標(biāo)志著我國(guó)突破了地球軌道返回式防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

（二）快速發(fā)展階段（20世紀(jì)80 - 90年代）

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了在航天器結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模應(yīng)用。在掌握了復(fù)合材料大承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，復(fù)合材料成功應(yīng)用至航天器主承力結(jié)構(gòu)（平臺(tái)）中。具有里程碑意義的典型代表產(chǎn)品為東方紅三號(hào)波紋承力筒以及資源一號(hào)蒙皮加筋承力筒，此二者的誕生標(biāo)志著我國(guó)掌握了大承載輕量化主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)啟了我國(guó)大承載衛(wèi)星研制的歷程。

（三）廣泛應(yīng)用階段（21世紀(jì)初至今）

隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)、復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)成型工藝技術(shù)的突破，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航天器各類(lèi)結(jié)構(gòu)中。在主承力結(jié)構(gòu)方面，成功研制了DFH - 4平臺(tái)蜂窩夾層承力筒、導(dǎo)航二期全復(fù)材波紋承力筒等主承力結(jié)構(gòu)，并在蜂窩板技術(shù)的基礎(chǔ)上突破了蜂窩板預(yù)埋/后埋技術(shù)。在次級(jí)結(jié)構(gòu)方面，得益于復(fù)雜曲面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝成型技術(shù)的突破，復(fù)合材料大量應(yīng)用至航天器次級(jí)結(jié)構(gòu)中，使得大型、復(fù)雜的次級(jí)結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。

四、在航天器承力結(jié)構(gòu)不同類(lèi)型中的應(yīng)用

（一）主承力結(jié)構(gòu)

高性能聚合物基復(fù)合材料在航天器主承力結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。例如，在衛(wèi)星平臺(tái)中，采用碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料制造的承力筒結(jié)構(gòu)，具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減輕衛(wèi)星的整體重量，提高衛(wèi)星的有效載荷能力。像DFH - 4平臺(tái)蜂窩夾層承力筒，配合碳/鋁蒙皮鋁蜂窩夾層板共同實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的誕生，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量比優(yōu)于同期國(guó)內(nèi)所有衛(wèi)星。

（二）次級(jí)結(jié)構(gòu)

在航天器的次級(jí)結(jié)構(gòu)中，如太陽(yáng)翼基板、天線支架等，高性能聚合物基復(fù)合材料也得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)攻克并全面掌握了剛性太陽(yáng)翼稀疏網(wǎng)格面板設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)，1999年自研的中型太陽(yáng)翼資源一號(hào)、小型太陽(yáng)翼實(shí)踐五號(hào)首飛成功，至同年底自研大型東方紅三號(hào)太陽(yáng)翼在軌成功展開(kāi)，標(biāo)志著我國(guó)掌握了大、中、小型一次展開(kāi)剛性太陽(yáng)翼研制技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼自研。

（三）連接結(jié)構(gòu)

連接結(jié)構(gòu)是航天器承力結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，高性能聚合物基復(fù)合材料在連接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也逐漸增多。例如，采用復(fù)合材料制造的連接件，如螺栓、螺母、連接片等，具有重量輕、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高連接結(jié)構(gòu)的性能和可靠性。

五、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）輕量化

高性能聚合物基復(fù)合材料具有密度低的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)金屬材料，能夠顯著減輕航天器的重量。例如，采用碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料制造的航天器結(jié)構(gòu)件，重量可比傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)件減輕20% - 30%，這對(duì)于提高航天器的有效載荷能力、降低發(fā)射成本具有重要意義。

（二）高強(qiáng)度和高剛度

復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度和剛度可以與金屬材料相媲美，甚至在某些方面優(yōu)于金屬材料。通過(guò)合理設(shè)計(jì)復(fù)合材料的鋪層方式和結(jié)構(gòu)形式，可以充分發(fā)揮其強(qiáng)度和剛度優(yōu)勢(shì)，滿足航天器承力結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求。

（三）耐腐蝕

航天器在太空環(huán)境中面臨著各種惡劣的腐蝕條件，如原子氧腐蝕、紫外線輻射等。高性能聚合物基復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能，能夠有效抵抗這些腐蝕因素的侵蝕，延長(zhǎng)航天器的使用壽命。

（四）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

復(fù)合材料具有良好的可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)航天器承力結(jié)構(gòu)的具體要求，通過(guò)選擇不同的增強(qiáng)材料、基體材料和鋪層方式，設(shè)計(jì)出具有特定性能的結(jié)構(gòu)件。這使得復(fù)合材料能夠更好地滿足航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣化需求。

六、面臨的挑戰(zhàn)

（一）成本問(wèn)題

高性能聚合物基復(fù)合材料的原材料成本較高，且其制造工藝復(fù)雜，加工成本也相對(duì)較高。這導(dǎo)致復(fù)合材料航天器結(jié)構(gòu)件的成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)件，限制了其在航天器中的大規(guī)模應(yīng)用。

（二）可靠性問(wèn)題

復(fù)合材料的性能受多種因素影響，如原材料質(zhì)量、制造工藝、環(huán)境條件等。在航天器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件可能會(huì)出現(xiàn)性能退化、損傷等問(wèn)題，影響航天器的可靠性。因此，需要加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的可靠性研究和評(píng)估。

（三）回收利用問(wèn)題

目前，高性能聚合物基復(fù)合材料的回收利用技術(shù)還不夠成熟，復(fù)合材料廢棄物的處理成為一個(gè)難題。大量復(fù)合材料廢棄物的堆積不僅會(huì)造成環(huán)境污染，還會(huì)浪費(fèi)資源。

七、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

（一）降低成本

未來(lái)，隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，原材料成本和加工成本有望逐漸降低。同時(shí)，研發(fā)新型的低成本復(fù)合材料制造工藝，如自動(dòng)化成型技術(shù)、樹(shù)脂傳遞模塑技術(shù)等，也將有助于降低復(fù)合材料航天器結(jié)構(gòu)件的成本。

（二）提高可靠性

加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料性能的研究和測(cè)試，建立完善的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件可靠性評(píng)估體系。研發(fā)新型的復(fù)合材料損傷檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷，提高航天器的可靠性。

（三）加強(qiáng)回收利用

加大對(duì)復(fù)合材料回收利用技術(shù)的研發(fā)投入，開(kāi)發(fā)高效的復(fù)合材料回收利用方法，如化學(xué)回收、熱解回收等。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的循環(huán)利用，減少環(huán)境污染，節(jié)約資源。

（四）智能化應(yīng)用

隨著智能材料和傳感器技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)高性能聚合物基復(fù)合材料有望實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用。例如，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中嵌入傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警。

八、結(jié)論

高性能聚合物基復(fù)合材料在航天器承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究取得了顯著進(jìn)展，在主承力結(jié)構(gòu)、次級(jí)結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)等方面都得到了廣泛應(yīng)用。其具有輕量化、高強(qiáng)度、高剛度、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但也面臨著成本、可靠性和回收利用等挑戰(zhàn)。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能聚合物基復(fù)合材料在航天器承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景將更加廣闊，有望為航天技術(shù)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。