碳纤维复合材料在航天大尺寸结构中的应用

张昱煜 梁海朝 李 强 水涌涛

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

碳纤维复合材料在航天大尺寸结构中的应用

张昱煜 梁海朝 李 强 水涌涛

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

从碳纤维复合材料的概念、分类及性能入手，重点介绍了碳纤维复合材料在航天大尺寸构件中的应用情况，特别是在运载火箭、导弹和人造卫星等产品中的应用情况，并根据国内外的研究现状，对我国碳纤维复合材料在航天领域应用中存在的一些问题进行了分析，对碳纤维复合材料未来在航天领域的应用前景进行了展望。

碳纤维复合材料，大尺寸结构，航天，应用

碳纤维复合材料作为一种新型复合材料，自20世纪60年代问世以来，长期受到国内外各领域的广泛关注。由于碳纤维复合材料具有高比强度和比模量[1]等突出优点，其在国内外军用和民用领域的应用越来越广泛。在航天大尺寸结构中，碳纤维复合材料也已逐步获得了越来越广泛的应用，并表现出了广阔的应用前景。

1 碳纤维复合材料的分类及性能

根据碳纤维制备所采用的原丝的不同，碳纤维可分为沥青基碳纤维、粘胶基纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维等3种。碳纤维本身具有很强的刚性，主要用作陶瓷、树脂等基体的增强材料，以获得性能优异的碳纤维复合材料。目前，市场上生产的碳纤维型号及其部分参数见表1。

碳纤维复合材料具有各向异性，不同于金属材料，具有独特的性能。表2是碳纤维复合材料与金属材料的性能对比。

2 碳纤维复合材料在航天大尺寸结构中的应用现状

作为航空航天四大材料之一的碳纤维复合材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着举足轻重的作用。

2.1 碳纤维复合材料在导弹上的应用

碳纤维复合材料在导弹中主要应用在发射器上。发射器从内表面到外表面的结构如图1所示。

表1 碳纤维型号及参数表

导弹发射器的性能要求发射器采用圆筒薄壁结构，其身管厚度不得大于2mm，且发射器的重量不能超过导弹的1/6，制成的导弹身管要具有足够高的强度，以及良好的密封性、透湿率等性能。实验表明，将碳纤维材料用于导弹发射器的身管，大幅降低了发射器的重量，可满足发射器身管透湿率、轴线变形性等要求，还能够起到电磁屏蔽作用。

俄罗斯核防备力量的两个核心包括陆上多功能洲际导弹SS-27型“白杨-M”和海上“圆锤”型潜艇发射导弹，这两型导弹的固体发动机喷管及表面涂层均采用了粘胶基碳纤维增强酚醛树脂复合材料，使导弹发射器能够承受住发射时受到的热应力和阻力。

表2 碳纤维复合材料与金属材料性能

此外，美国的“三叉戟”Ⅱ型（Trident-Ⅱ，D-5）、“大力神”战略弹道导弹也采用了碳纤维复合材料，导弹射程相应提高。其中，“三叉戟”Ⅱ型（Trident-Ⅱ，D-5）导弹固体发动机壳体采用了碳纤维复合材料，射程由Ⅰ型的7400km提高到12000km，命中精度为90m，成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。

2.2 碳纤维复合材料在运载火箭中的应用

碳纤维复合材料主要用于制造运载火箭箭体和发动机壳体的结构部件，其中，发动机盖、壳体、燃烧室等需要采用耐高温、比刚度和比模量高的材料，整流罩需要采用易于加工、整体成形性能好的材料。

当前，美国、日本、法国等国家的运载火箭发动机壳体均采用碳纤维复合材料制造，例如，日本的M-5火箭的发动机壳体等，运载火箭应用碳纤维复合材料在质量上比铝合金材料减少10%～25%。

2.3 碳纤维复合材料在人造卫星飞行器上的应用

碳纤维复合材料具有较高的比强度、比刚度，良好的抗疲劳性能，以及优异的整体成形性能等特性，因此，碳纤维复合材料自问世以来就被用作卫星飞行器的本体结构、天线，以及太阳能电池板构件[4]。

在人造卫星飞行器本体结构方面，碳纤维复合材料主要用作飞行器的中心承力筒，例如，法国电信一号卫星的4条中心承力筒就是由碳纤维复合材料制成的，其通过螺接连接在由碳纤维复合材料制成的仪器平台上。另外，碳纤维复合材料还被用来制作连接支架和卫星的大梁结构，例如，美国Conwr公司使用碳纤维复合材料制作了双元“OVI”卫星的4根大梁结构。另外，“ATS”卫星的地球观测舱也采用了碳纤维复合材料制造的连接支架。

人造卫星飞行器的能量来源是太阳能电池阵，要求电池阵能够折叠，并且可以在外太空打开时承受住外太空的阻力，因此，太阳能电池阵不能用金属来制造。由于碳纤维复合材料具有密度小、重量轻、易于加工、整体成形性好等一系列特性，因而可用来制作卫星的太阳能电池阵，包括太阳能电池基板和连接架等[5]。

3 结束语

碳纤维复合材料作为新型复合材料，其应用范围越来越广泛，目前，碳纤维复合材料的应用程度已经成为衡量一个国家技术发展水平的重要指标之一。我国作为航天大国，在碳纤维复合材料的研究及应用方面均开展了重要的工作，例如，“东方红二号”通讯卫星运地点发动机、“风云二号”气象卫星运地点发动机和“长征二号E”火箭发动机的壳体均采用了碳纤维复合材料来制造，但是，我国制造的碳纤维复合材料高端产品少，生产技术低端，产品性能不高且不稳定。针对这些问题，我国应将碳纤维复合材料列入优先发展计划之内，更加注重基础知识和关键技术的研究，突破技术难题，掌握核心技术，全面提升碳纤维复合材料的制备工艺水平及应用水平，促进碳纤维复合材料在航空、航天领域的广泛应用。

1 张骏华, 盛祖铭, 孙继同. 导弹和运载火箭复合材料结构设计指南[M]. 北京: 中国宇航出版社, 1999: 59～79

2 田海英, 关志军, 丁亚林, 等. 碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒[J]. 光学技术, 2003, 29(6): 704～706

3 杜善义. 先进复合材料与航空航天[J]. 复合材料学报, 2007, 24(1): 1～12

4 丁亚林, 田海英, 刘立国, 等. 一种提高碳纤维复合材料框架结构应用性能的结构技术[J]. 光学精密工程, 2003, 34(1): 8～26

5 Vinson J R. The behavior of sandwich structures of isotropic and composite materials[M]. CRC Press, 1999

1009-8119（2017）04（1）-0057-02