3D编织技术提升宇宙飞船和赛车性能

3D编织技术提升宇宙飞船和赛车性能

3D Weaving Technology Strengthens Spacecraft, Race Cars

起源于几千年前的编织工艺技术催生了美国国家航空航天局（NASA）“猎户座”飞船上一些最尖端的技术，或将在宇航员往返火星的路途中为其提供热防护。

当“猎户座”飞船脱离地球轨道，向太空深处进发时，其速度必须足够快，这会产生大量的热量；同样，当其返回地球时，也是一路疾驰，当飞船再入地球大气层并减速至安全着陆时，其会与大气层摩擦产生高温。

对于“猎户座”的设计工程师来说，“猎户座”飞船热防护系统每个部分的制造都特别具有挑战性：其不仅要具有优异的隔热性能，还要具有很高的结构强度。NASA埃姆斯研究中心3D多功能烧蚀热（3D-MAT）防护系统的技术主管、材料工程师杰伊·费尔德曼（Jay Feldman）解释说：“大多数的热防护系统采用低密度的材料制成，这些材料具有良好的隔热性能，能够起到较好的热防护作用，但是，其结构强度较低。但是，在热防护系统的表面上，有一些部位必须将乘员舱及其服务模块连接起来，并最终连接到火箭上。在这些部位，就必须使用结构强度高且非常坚固的材料。”

研究人员采用钢和碳纤维复合材料开发了一种圆盘状的连接材料，称为“压缩板”，用于2014年底开展的“猎户座”首次低地球轨道测试飞行。但不幸的是，这种“压缩板”的隔热性能不足。杰伊·费尔德曼说：“对于‘猎户座’首次飞行测试而言，其热传导情况还是可控的，但是，一旦要开展更远距离的太空探索，或者飞船要以更快的速度返回大气层，温度会变得更高，这种热防护板向飞船传递的热量就会过多，从而造成飞船过热，威胁宇航员和设备的安全。”

幸运的是，埃姆斯研究中心的杰伊·费尔德曼和其他工程师已经与高科技纺织企业美国Bally Ribbon Mills公司开展了合作，联合研发新一代热防护材料。双方通过合作，将传统的梭织机编织技术升级成适应新时代需求的技术，并开发了一种3D编织石英纤维复合材料。研究人员很快意识到，这种材料非常适用于制作“猎户座”飞船的热防护“压缩板”。

与此前采用二维编织材料叠层制造的“压缩板”不同，埃姆斯研究中心和Bally Ribbon Mills公司的研究团队发现，采用3D编织复合材料具有更大的优势。杰伊·费尔德曼解释说：“由3个方向编织而成的纤维结构非常牢固，同时，研究人员还能够对这种复合材料的成分进行调整，降低其热传导系数，获得更好的隔热性能。”

Bally Ribbon Mills公司位于美国宾夕法尼亚州巴利市，是美国领先的高科技二维和三维纺织品制造商，其客户包括美国空军、一级方程式赛车队和生物医药公司等。该公司是NASA“猎户座”热防护系统项目的理想合作伙伴。

NASA进入系统和技术部的项目经理和首席技术专家Ethiraj Venkatapathy说：“在NASA，我们开展了很多方面的专业研究，积累了大量的科学知识，但尚未开展纺织技术方面的研究。纺织技术是一门古老的艺术，纺织工业的历史比NASA的历史要长得多。”

Bally Ribbon Mills公司的纺织技术可以追溯到1923年，是一家以编织丝绸帽带起家的家族企业。Bally Ribbon Mills公司的第四代经营者马克·哈瑞思（Mark Harries）解释说：“当初，祖辈创业时只是想开创一项事业，生产的是当时流行的材料——丝绸。家族的第二代——我的曾祖父接手公司后，继续开拓业务，开始使用人造纤维进行纺织。随着纺织行业的不断进步，许多纺织厂家转移到海外，附近的纺织工厂不断关闭，但Bally Ribbon Mills公司始终在进步。随后，家族的第三代——我的父亲和我的表兄弟接手了公司。公司开始采用新的纤维材料、新的机械设备制造更多的产品。自此，我们也开始雇佣工程师，以及使用计算机来追踪和记录生产和销售数据。也是在那时，Bally Ribbon Mills公司找到了自己的定位。为了保持公司的发展和经营势头，公司开始越来越多地开展小批量、定制化的产品开发业务，如与NASA合作开展的项目等。”

借助于来源于埃姆斯研究中心的种子基金，NASA和Bally Ribbon Mills公司开始为热防护系统构建3D编织原型。在早期研发取得了进展和突破后，Ethiraj Venkatapathy和杰伊·费尔德曼从NASA空间技术任务理事会和小企业创新研究计划（SBIR）获得了额外的资金支持。当NASA和Bally Ribbon Mills公司意识到该项技术能够解决“猎户座”飞船的“压缩板”问题时，NASA的“改变游戏规则的技术发展计划”也为其提供了资金支持。

Bally Ribbon Mills公司的高级纺织工程师Curt Wilkinson解释说：“NASA所需的织物比Bally Ribbon Mills公司以往生产的纺织品的厚度更大。Bally Ribbon Mills公司生产的纺织品的极限厚度是5.08cm，而NASA需要的织物的厚度要达到7.62cm，因此，我们需要改进纺织工艺，设计特殊的纺织设备，以获得满足要求的产品。NASA还要求在3个方向上都有相同数量的纤维，以提高抗压强度。”

Bally Ribbon Mills公司与NASA的合作，以及研发出的材料在NASA获得了一系列的好评。NASA局长查尔斯·博尔登在2015年1月访问了这家工厂，并对他们的工作进行了肯定。他称：“从现在开始，奔向火星的道路是通过Bally Ribbon Mills公司实现的。”

Bally Ribbon Mills公司采用的技术称为“3D正交编织工艺”，在这种技术中，纤维在3个方向上相交垂直，且是完全垂直的。杰伊·费尔德曼说：“这是目前能够生产出的最牢固的3D织物技术。”

Curt Wilkinson说：“这些纤维由绝热性能优异的石英制成，并同时拥有良好的介电性能，能够传输电信号。其最终产品类似于砖块，但其中包裹了许多纤维。在其开发过程中，很多时候，我们不确定是否能够编织出满足要求的纤维材料。这些纤维材料编织完成后，就会被送到另一家公司，注入树脂进行固化，并将编织留下的孔洞填满，获得纤维增强复合材料，然后再加工成最终的形状。”

Ethiraj Venkatapathy说：“这种3D复合材料的设计非常精巧，可作为结构材料使用，可作为热防护系统使用，也可作为振动吸收材料，还可承受负荷。我认为，这种材料及其设计工艺具有广泛的用途。该材料已在一个非常复杂的领域获得了应用验证，通过简单的方案改进，满足了项目要求。在用于执行载人火星探索和其它复杂的载人探索任务的同时，我们还可以将其扩展应用于其它领域。”

“猎户座”飞船的设计师已经在探讨飞船上其它可能使用3D-MAT材料的部位。除了NASA，政府机构和航空航天企业，包括美国国防部，也对热防护系统产生了兴趣。杰伊·费尔德曼指出：“基于与NASA合作开展的这项工作，这些机构和企业已经在资助Bally Ribbon Mills公司发展新的项目。”

为NASA“猎户座”研发开展的工作，也扩充了Bally Ribbon Mills公司的产品线，使得该公司能够向其长期客户提供目前使用更为广泛的材料，如碳纤维材料，因为该公司设计的新设备能够进行厚度更大、密度更高的纤维编织工作。例如，一级方程式公司正在评估Bally Ribbon Mills公司的样品，他们认为：“该技术扩展了3D正交编织技术能够制造的部件的尺寸。过去，该技术的纺织厚度极限为5.08cm，而目前7.62cm的厚度则为汽车应用提供了更多机会。”

虽然该技术在高科技外衣包裹下的核心工艺仍与20世纪20年代使用的梭织机的原理相同，但这仍是一种发展。因为，在宾夕法尼亚州中部的大部分纺织厂已经倒闭的情况下，该公司仍保留着近300个工作岗位。Curt Wilkinson说：“纺织工艺历史悠久，已经延续了上千年。在传统纺织工艺基础上，我们引入了现代电子元件，并建立和整合了公司自主研发的收线加工系统。通过采用这种古老的纺织工艺，我们现在正在编织用于火星探索的纤维材料。”

(唐 甜)