航天器結構材料的應用現狀與未來展望

作者：王惠芬，楊碧琦，劉　剛

自１９５７年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射以來，人類就從未停止對航天結構材料的研究與關注。近年來，衛(wèi)星技術的迅速發(fā)展，一方面對結構材料提出了更高的要求，另一方面也促進了新材料的產生與發(fā)展。世界各大航天機構都設有專門的材料研究中心，持續(xù)開展航天器結構材料的開發(fā)。例如，美國ＮＡＳＡ的蘭利研究中心和國內的航天材料及工藝研究所等都是負責研發(fā)和測試航空航天新型材料和結構的機構。ＮＡＳＡ在２０１２年發(fā)布的《空間技術發(fā)展路線圖》中，依然將材料與結構列為最優(yōu)先發(fā)展的十四大領域之一，并且在２０１５年對其進行了細化與完善。

由于航天器載荷的復雜性和服役環(huán)境的特殊性，材料的選用要求往往與常規(guī)機械產品有很大區(qū)別。作為結構材料，最基礎的作用就是承受和傳遞載荷，因而所選材料必須強度高、模量大、韌性好。特別是隨著載人航天與深空探測事業(yè)的發(fā)展，有效載荷逐漸增多，衛(wèi)星平臺越來越大，對材料此方面的性能提出了更高要求。我國的風云系列氣象衛(wèi)星在發(fā)展到第三代，也即第二代極軌氣象衛(wèi)星ＦＹ－３時，遙感探測器已達１２個之多，其平臺也相應地要求具有更大的衛(wèi)星承載能力。

在不降低材料性能的前提下，輕量化是工業(yè)界追求的永恒目標，它的實現不僅有利于削減成本，而且有助于減少環(huán)境污染。以汽車為例，其質量每減輕１０％，就會節(jié)省６％～８％的燃料。這對發(fā)射成本異常昂貴的衛(wèi)星而言更加適用，據統(tǒng)計，進入空間軌道的航天運載器質量每減輕１ｋｇ，其發(fā)射費用將節(jié)省約２萬美元，因此必須采用密度盡量低的材料。結合高強度和大剛度的性能要求，需要采用比模量（彈性模量與密度之比）高和比強度（強度與密度之比）大的材料。其中，高比模量的材料還非常有利于提高結構的自然頻率和穩(wěn)定性，防止在發(fā)射時引起過大的動態(tài)響應載荷，保證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常運行及提高衛(wèi)星薄壁結構在發(fā)射壓縮載荷下的穩(wěn)定性。

另外，由于衛(wèi)星長期在太空服役且在軌壽命延長，因而所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。對于結構材料，尤其是暴露在空間的外部材料，要求在真空、高低溫交變、紫外輻照、電子輻照、原子氧等
條件下不發(fā)生大幅的成分、結構與質量變化，從而能夠保證所需的力學性能和物理性能。

１航天器結構材料的性能特點與應用現狀
目前，航天器用結構材料主要有金屬材料與復合材料兩大類。金屬材料具有成熟的使用性能和加工制造基礎，一直以來都是衛(wèi)星結構材料的首選；復合材料作為新興材料，因其具備密度低、可設計性強等突出優(yōu)勢也備受航天器結構工作者的青睞，并有逐漸代替金屬作為衛(wèi)星主結構材料的趨勢。

１.１金屬材料
金屬材料具有可焊接的特點，常用于衛(wèi)星密封殼體結構中，在接頭、支架等承力結構件上也有廣泛應用。金屬材料中，合金鋼是工業(yè)界使用最廣泛的結構材料，但是在航空航天領域除了少部分結構采用合金鋼以外，主要都采用更加輕質的鋁合金、鈦合金、鎂合金等。如表１所示，在比模量相當的情況下，輕質合金的密度低很多。

在輕質合金中，鋁合金價格相對便宜，導熱性、導電性良好且抗腐蝕性能好，是目前衛(wèi)星上應用最廣泛的輕金屬材料。部分鋁合金還具有良好的低溫性能，隨著溫度的下降，其強度和塑性都有所增加。在經典的航天飛機時代，乘員艙、前機身、中機身、后機身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼均由鋁合金制造。在美國，研究和應用較多的主要有７０７５、７４７５和７０５５等７系鋁合金。這些成分的鋁合金不僅具有高強度，而且具有高韌性，一直是各國航天材料研究人員追求的目標。受限于材料制備技術的發(fā)展，高強鋁合金在我國的應用較少，但是要實現航天器的輕量化設計，這始終是一個值得研究的方向。

目前應用在航天器上的鋁合金主要有鋁合金厚板、鋁蜂窩板和鋁－鋰合金等。其中，鋁合金厚板具有高強度、良好的韌性、抗應力性能和抗剝落腐蝕性能，而且其斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴展能力強，作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。另外，鋁蜂窩夾芯板結構以其比強度高、比剛度高、隔熱隔振性能好、可設計性強等特點，被廣泛應用于航空航天領域，已成為現代衛(wèi)星主要的承力結構。２０世紀８０年代發(fā)展起來的鋁－鋰合金由于鋰的添加可以降低合金的密度，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性，被認為是２１世紀航空航天領域最理想的結構材料。上述三類鋁合金因在航空航天領域的優(yōu)異表現，都將是我國在鋁合金方面研究努力的方向與重點。

鈦合金相比于其他輕金屬材料的優(yōu)勢在于比強度最高、耐腐蝕性最好（甚至遠優(yōu)于不銹鋼），并且高低溫力學性能很好，能在５５０℃高溫和零下２５０℃低溫下長期工作而保持性能不變（鋁合金最高僅能在２００～３００℃工作）。鈦合金線膨脹系數小，可以用作要求尺寸不隨溫度變化的構件。第一代航天飛機的熱防護系統(tǒng)部分采用了鈦合金Ｔｉ１１００作為防熱瓦。英國空天飛機ＨＯＴＯＬ的機身材料也部分采用了鈦合金。國內新型通信衛(wèi)星的承力筒錐段由于采用高強鈦合金制成大口徑雙波紋殼結構，其質量減輕了約５０％，抗載能力提高了８０％。

鑒于鈦合金高昂的價格，其一般只用于承載力大的關鍵部位或者同時對結構性能與熱學性能有較高要求的場合。

但是鈦合金由于具有優(yōu)異的力學、熱學和化學性能，不僅在結構系統(tǒng)，在其他如控制系統(tǒng)中也表現出巨大的潛力。并且鈦資源豐富，蘊藏量僅次于鐵、鋁。目前的難點就在于從原始資源到市場之間的轉化存在較大的阻力，技術與經濟都是重要的問題。

鎂合金是表１所列合金中密度最低的材料，并且減振能力好，易切削加工和可回收，被譽為“二十一世紀綠色金屬工程結構材料”。目前，歐美及日本等工業(yè)發(fā)達國家高度重視鎂合金的研究和開發(fā)，并己將鎂合金應用到航空航天、汽車、軍事與３Ｃ產業(yè)等領域。衛(wèi)星用鎂合金多為鑄造鎂合金，強度相對較低，一般用于制作常溫和低溫下承受低載荷的結構件。國內研究鎂合金的單位很多，但是在航天器上的應用還并不是很廣泛，局限在于鎂合金耐腐蝕性能不強，且長時間工作溫度不能超過１５０℃。


１.２復合材料
航天器結構用復合材料主要是纖維增強型的復合材料，基體一般為熱固性環(huán)氧樹脂。按照纖維的種類不同可分為碳纖維增強型（常見牌號有Ｍ６０、Ｍ５５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）、凱夫拉纖維增強型、玻璃纖維增強型和硼纖維增強型等。對比表１、表２，可見復合材料的比模量和比強度都遠高于上述輕合金。

復合材料中，碳纖維／環(huán)氧復合材料（ＣＦＲＰ）密度低（與鎂和鈹相當）、強度高（達鋁合金的３倍多）、模量大，輕質高強性能尤為顯著，是所有航空航天領域最受歡迎的復合材料。由于ＣＦＲＰ具有各向異性，所以它具有很強的可設計性，能為不同服役條件提供最優(yōu)的材料選擇。同時，復合材料易于大面積整體成型的特性也為簡化航天器生產工序、縮短生產周期提供了重要保障。國內外航天器上復合材料的使用已經占到較大比例。目前，碳纖維增強復合材料在衛(wèi)星上的應用主要體現在衛(wèi)星本體結構、太陽電池陣和天線結構等方面。由于其具有較高的比強度、較大的比剛度和良好的抗疲勞等性能特征，非常適合應用于衛(wèi)星外殼、中心承力筒和各種儀器安裝結構板等部位。又因為ＣＦＲＰ具有線膨脹系數小的特點，所以大型電池陣經常采用該材料。衛(wèi)星上安裝的大型拋物面天線等強方向天線要求在溫度急劇變化的空間環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的外形，所以碳纖維增強復合材料也比較適用。

但是復合材料也存在一些固有的缺陷，例如吸濕性，ＣＦＲＰ在大氣中存儲和使用時，水分與溫度的作用會使其力學性能明顯下降。樹脂基體吸濕后會引起體積膨脹，不僅會產生濕熱變形與應力，同時還會降低材料本身的剛度和強度。另外，ＣＦＲＰ加工精度的穩(wěn)定性也有待提高。針對這些問題，研究發(fā)展高模量、高強度以及高導熱率的纖維，進一步改善樹脂基體的耐高低溫性能，同時大力發(fā)展復合材料的自動化制造裝備將是有效的解決辦法。

２航天器結構材料展望
隨著航天工業(yè)的迅速發(fā)展，航天器結構材料也將處于長期持續(xù)的發(fā)展之中。新型輕合金在航天器結構中使用的比例逐步增加，復合材料的應用更是促進了航天器結構用材的變革，并且正處于迅猛發(fā)展之中。結合了金屬與無機／有機材料優(yōu)異性能的金屬基復合材料也已進入航天結構研究人員的視野。除此之外，結構材料與結構設計密不可分，一些傳統(tǒng)的復雜結構正在被全新的多功能結構（ＭＦＣ）和３Ｄ打印結構所取代。未來，航天器的結構材料將呈現多樣化、高性能的趨勢。

２.１傳統(tǒng)輕合金仍占主導地位，新型輕合金將逐步應用為了適應現代衛(wèi)星高性能、輕結構的要求，合金材料有逐步被復合材料代替的趨勢。特別是當復合材料在汽車與航空領域已經大顯身手時，其在對材料輕質化要求更高的航天領域也開始躍躍欲試。然而隨著研究的深入，發(fā)現目前常用的樹脂基復合材料存在一些固有的缺陷，如韌性差、二次加工性能差、耐熱耐濕性差、空間環(huán)境適應性差等，短時間內很難在航天器上大面積應用，這為合金材料在航天領域的應用及發(fā)展提供了空間和機遇。

近年的研究表明，通過在鋁合金和鎂合金中添加鋰，形成鋁鋰合金與鎂鋰合金（圖１），可以獲得密度更低且其他性能基本不降低的合金材料。美國曾將它們用于航天飛行器上，制作常溫和低溫下承受低載荷的結構件。上海衛(wèi)星裝備所作為衛(wèi)星制造與總裝單位，在“十二五”期間對西安交通大學研制開發(fā)出的鎂鋰合金開展了系統(tǒng)論證和應用研究，取得較好的成果，目前已經在部分型號的次承力構件推廣應用。

圖１　鎂鋰合金構件

隨著制備技術與工藝的日漸成熟，尤其是近年來鎂合金表面處理技術水平的提升，該合金耐腐蝕性能提高，使其將在衛(wèi)星結構中有更多的應用。

鈦鎳合金由于具有形狀記憶功能也引起了航天領域的重視。在溫度低于材料的馬氏體逆轉變的開始溫度時，構件可在一定外力下任意變形（其極限應變可達６％～８％）。然后，當加熱到馬氏體逆轉變終了溫度時，由于熱彈性馬氏體相變原理，構件可自動恢復到原有的形狀。目前，鈦鎳合金已經在衛(wèi)星管路接頭、熱敏元件等方面有應用性研究，并且研究表明形狀記憶合金的應用將代替原火工品的使用，能夠為安全可靠地釋放衛(wèi)星上的機構提供更好的保障。因此，記憶合金是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ暮教炱鹘饘俨牧稀?br />

另外，繼鋼鐵、塑料之后第三次材料工業(yè)革命的新材料金屬玻璃（即非晶態(tài)合金）也在衛(wèi)星上有應用。金屬玻璃因其內部原子排列無序，存在自由體積，相比于同等成分的金屬合金往往具有更低的密度和更高的強度。近年來，燕山大學成功制備出用于衛(wèi)星太陽能電池伸展機構、關鍵齒輪等的非晶合金構件，有望在未來的衛(wèi)星結構上得以應用。

２.２復合材料發(fā)展勢頭良好，應用范圍將繼續(xù)增大復合材料發(fā)展時間較短，但其迅猛的發(fā)展趨勢也足以令人相信它有著巨大的應用前景。一直以來，復合材料在航空領域的應用都領先于航天。其在飛機上的應用已由次承力結構材料發(fā)展到主承力結構材料。世界上大型飛機如波音７８７、空客３８０ 等機型的結構件復合材料的用量占到了４０％～５０％，先進直升機結構件復合材料用量甚至占到了８０％以上。波音和空客公開的研究資料表明，到２０２０年它們的飛機結構件將全部采用復合材料。由此類推，復合材料在航天領域將有著巨大的發(fā)展空間和前景。這一點從衛(wèi)星桁架上此前廣泛應用的鋁合金桁架接頭正由碳纖維復合材料接頭全部取代也可證明。圖２為典型的碳纖維復合材料接頭。截至目前，碳纖維高性能復合材料依然是復合材料研究與應用的重點。為了縮小與國際先進水平的差距，我國現在非常注重復合材料的預先研究。隨著低成本一體化制造技術的發(fā)展，自動化、大型化、高精度制造裝備日趨成熟，以及基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高，碳纖維增強樹脂基復合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善，復合材料在航天器結構上的用量必將進一步增大。


除此之外，針對樹脂基復合材料固有的濕熱效應缺陷和導熱散熱不足等問題，也有人提出用金屬基體材料來彌補現有基體的不足，經試驗，可以極大地提高復合材料的性能，例如可將材料的使用溫度從１６０℃提高到４００℃以上，能承受更嚴酷的空間綜合輻照、高低溫交變環(huán)境條件，獲得極低的真空出氣率、良好的耐濕性能和密封性能等。２０１７年發(fā)射的最新氣象衛(wèi)星風云四號的某關鍵載荷便使用了Ａｌ／ＳｉＣ復合材料構件（圖３），實現了空間溫度范圍內的尺寸高穩(wěn)定與性能高可靠�？梢灶A見，未來對金屬基復合材料的需求將進一步增加。

２.３結構材料與功能材料的一體化是最新發(fā)展趨勢高性能、輕量化是航天器材料設計追尋的永恒目標。除了使用更輕的材料，減少材料的使用才是更有效的減重途徑�；�于此，洛克希德·馬丁公司發(fā)明了多功能結構，多功能結構就是結構在進行設計時，明確執(zhí)行不少于兩種功能的結構，既可以同時執(zhí)行也可以依次執(zhí)行，這類結構通常為復合材料結構，包括嵌入多功能器件的新型結構復合材料和本身含有多功能的結構材料，涉及聚合物、金屬、陶瓷等。隨著封裝技術的提高，越來越多的功能性材料將為結構所用。

ＮＡＳＡ在２０１２年發(fā)布的《空間技術發(fā)展路線圖》中的“材料、結構、機械系統(tǒng)和制造”領域就曾強調結構輕量化設計以及多功能結構材料應用的重要性和研究的必要性。多功能結構材料可利用先進的計算設計和制造技術，實現之前難以獲得的綜合性能和功能。這些系統(tǒng)可以提高力學性能，增強對環(huán)境性能和損傷的感應能力，以及修復損傷的能力和持續(xù)性能。

國內這方面的研究也在不斷深入，航天材料及工藝研究所帶頭完成的“多功能結構復合材料集成技術”項目設計了具有多項功能的復合材料，實現了多項功能技術的高效集成，使結構減重達到３５％，已在多個型號產品上有所應用。

可以想像，未來的航天器主結構還是由合金或更多的復合材料構成，其他部分的結構將不僅僅具有承受和傳遞力的能力，而且同時具有其他功能。隨著輕質材料和新型結構的應用，航天器將變得更小、更輕，而功能卻更加豐富。

２.４增材制造將改變航天器結構材料形式增材制造技術的優(yōu)勢之一是可以實現結構復雜但力學性能優(yōu)異的結構的制造，代替?zhèn)鹘y(tǒng)結構設計和工藝，從而優(yōu)化結構。這一技術非常適用于衛(wèi)星單件／小批量結構產品的生產，將對衛(wèi)星結構設計、制造、裝配工藝產生革命性的影響。例如，上海衛(wèi)星裝備所前期基于選擇性激光融化（ＳＬＭ）成形技術，采用輕質仿生點陣結構對衛(wèi)星某下端框進行了輕量一體化設計，并采用鋁合金成型出輕量化設計的下端框樣件，實現結構減重２４。５８％及承載條件下應力分布更均勻，如圖４所示。針對衛(wèi)星多通道接頭采用點陣結構等高效承力結構進行輕量化設計優(yōu)化，并采用鋁合金成型輕量化多通道接頭，在滿足設計強度、剛度要求的前提下，最大化地實現結構減重３２％，如圖５所示。

３結語
隨著大型復雜高精度航天器的迅速發(fā)展和深空探測器開發(fā)進程的加快，航天器對于輕質高強結構材料的需求異常迫切。由于長期在太空服役，所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。鋁合金具有較好的綜合性能，一直以來都是衛(wèi)星結構材料的首選；復合材料作為新興材料，因其具備密度低、可設計性強等突出優(yōu)勢也備受航天器結構工作者的青睞。

縱觀當前衛(wèi)星主體結構和相關預研項目的開展，輕合金尤其是鋁合金在一定時期內仍將占主導地位，新型輕合金如鎂鋰合金將逐步應用；復合材料發(fā)展勢頭良好，應用范圍將繼續(xù)增大，特別是Ａｌ／ＳｉＣ等金屬復合材料表現出良好的空間穩(wěn)定性與可靠性；結構材料與功能材料的一體化將是最新發(fā)展趨勢。另外，納米復合材料、增材制造結構材料一體化等新興材料技術也開始在結構領域嶄露頭角，必將對航天器結構材料及其形式發(fā)展產生重大影響。

作者：王惠芬，楊碧琦，劉　剛，來源：上海衛(wèi)星裝備研究所、新材料智庫