航天器用高性能纤维编织绳索研究进展

丁 许， 孙 颖， 罗 敏， 王兴泽， 陈 利， 陈光伟

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387； 3. 北京空间飞行器总体设计部， 北京 100094)

随着纤维制备技术的发展，芳香族聚酰胺纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维等高性能有机纤维的综合性能得到了进一步提升。高性能纤维编织绳索具有轻质、高强高模、耐磨、可设计性强、易加工等优点，在众多领域成功替代金属绳索，倍受空间探测和新型航天器轻量化结构设计研究人员的青睐。20世纪60年代，美国国家航空航天局(NASA)开始利用高性能纤维编织绳索的独特性能开展空间系绳实验任务，发现了编织绳索在人工重力、航天器轨道保持和空间绳系机器人等领域的应用潜力[1]。随着空间站机组人员开始执行长期任务，跑步机隔振稳定(TVIS)系统、临时阻力运动装置(IRED)等高级锻炼装置的阻力绳索为航天员的健康和执行特定任务提供了保障[2]。

近年来，网状可展开天线、热刀压紧释放装置等航天器结构轻量化对高性能纤维编织绳索的需求越来越迫切[3-4]。相对于空间系绳，网状可展开天线和热刀压紧释放装置对编织绳索的尺寸和性能稳定性要求更高。在长时间服役过程中，编织绳索在真空、高低温交变、辐射、原子氧等空间环境下的蠕变和应力松弛行为，成为其发展和应用的关键因素。

本文从芳纶、聚芳酯、超高分子量聚乙烯、聚酰亚胺纤维的性能特点和适用范围出发，简要介绍了高性能纤维编织绳索在空间系绳、桁架式网状可展开天线、热刀压紧释放装置3种航天器结构轻量化场景中的应用现状，以编织绳索蠕变和应力松弛行为研究为基础，对需要进一步深入研究的问题提出建议，以期推动高性能纤维编织绳索在航空航天领域的应用。

1 高性能有机纤维

高性能纤维具有特殊的物理和化学性能，在国防、军工和航空航天等领域占有重要地位，是一类重要的战略物资。根据化学成分的不同，高性能纤维可分为无机和有机二大类。与以碳纤维为代表的无机纤维相比，有机纤维具有较好的耐磨性和可织性，因此，大部分绳索由有机纤维制成。有机高性能纤维主要包括以芳纶、聚芳酯和聚酰亚胺为代表的芳香族类纤维和以超高分子量聚乙烯为代表的烯烃类纤维[5]。

芳纶的全称为芳香族聚酰胺纤维[6]，最突出的优点是170 ℃高温下仍保持优异的力学性能。芳纶增强复合材料可用于雷达天线罩、火箭整流罩和发动机壳体等，在提高性能的同时有效地降低结构质量。但芳纶与树脂或橡胶基体的界面结合强度有待提高，等离子体、生物酶等多种方法的协同改性是未来的主要发展方向之一[7]。

聚芳酯纤维的全称为液晶聚芳酯(LCP)纤维，由4-羟基苯甲酸和2-羟基-6-萘甲酸缩聚而成。与芳纶相比，聚芳酯纤维具有优异的抗蠕变性能和化学稳定性[8]。聚芳酯纤维曾用于勇气号和机遇号火星车的着陆缓冲气囊以及好奇号火星车的着陆制动器绳索[9-10]，未来有望应用于火星服、充气式着陆减速器和居住舱等火星探测装备[11-12]。但聚芳酯纤维经紫外线照射后会出现明显的性能退化，限制了其在平流层飞艇等空间充气式结构的应用[13]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维由聚乙烯单体聚合而成，相对分子质量在350万～750万之间[14]。UHMWPE纤维密度仅为0.97 g/cm3，其比强度可达到370 cN/tex，是目前比强度最高的有机纤维。UHMWPE纤维常应用于轻便的防弹材料和海洋绳缆。由于其分子链之间的作用力较弱，在高温和外力作用下极易产生变形，因此，UHMWPE纤维蠕变改性是近年来的研究热点之一[15]。

聚酰亚胺(PI)纤维主要由二酐和二胺2种单体合成，分子中包含大量与酰亚胺键连接的芳香族基团，因此，聚酰亚胺纤维具有出色的热稳定性、耐辐射和介电绝缘性能，常用于航天器轻质隔热材料、结构材料与辐射防护材料等[16]。近年来，随着高强高模PI纤维的发展，其强度和模量均优于芳纶，在航天器承力结构中具有巨大的应用潜力[17]。

综上所述，芳纶具有突出的高温力学性能，适用于高温应用场景。与芳纶相比，聚芳酯纤维具有优异的抗蠕变性能，适用于长期负载工况。超高分子量聚乙烯纤维具有非常优异的拉伸强度，但是对高温和载荷非常敏感。聚酰亚胺纤维的耐辐射性与热稳定性非常突出，是代替芳纶的理想材料之一。4种高性能有机纤维的性能特点为满足编织绳索选用纤维材料的需要提供了保障。表1示出4种高性能有机纤维的主要品牌及性能。

表1 高性能纤维性能参数Tab.1 Properties of high performance fibers

2 编织绳索的几何结构

纤维通过捆扎、加捻或编织在一起成为张力单元的纤维集合体均可称为绳或绳索。美国根据传统定义对不同直径(D)的绳索进行命名并统称为Cordage[23]。

编织绳索由沿顺时针和逆时针2个方向运动的编织纱彼此交织而成，按照外观形态可分为管状编织绳索和带状编织绳索(编织带)[24]。在编织机上，编织纱沿“8”字形曲线轨道作循环运动可得到管状编织绳索，编织纱曲线轨道末端改变运动方向并往复运动可得到带状编织绳索，其运动路径和基本结构如图1所示。管状编织绳索按照中心结构的不同又可分为中空编织绳索、双层编织绳索和包芯编织绳索。通过在中空编织绳索外部重复编织可形成双层编织绳索，双层编织绳索的芯部和外层编织绳索可共同承担载荷。包芯编织绳索的芯部主要由平行排列或加捻的股线制成，以最大程度提高绳索的强度和刚度；外部的编织层为芯部纱线提供良好的磨损防护功能[25-26]。制备工艺决定了编织绳索是多层次的纤维结构集合体，宏观上主要有中空、双层、包芯和带状4种结构，细观上是从纤维单丝、纤维束、编织纱到多样的编织结构，为满足特定工程应用提供了灵活的可设计性。

图1 编织绳索纱线运动路径和基本结构Fig.1 Motion path of braid yarns and structures of braided cordage.(a) Hollow-braid cordage; (b) Braid tape

3 编织绳索在航天器中的应用

编织绳索作为关键部件在航天器中的应用场景主要有3种：空间系绳、桁架式网状可展开天线和热刀压紧释放装置。具体而言，空间系绳通过释放和回收系绳完成微重力实验、航天器轨道控制和太空发电等复杂的科学研究任务。桁架式网状可展开天线采用绳索相互交织形成的索网结构大大降低其质量，进一步提高天线的口径和展收比，是实现星载可展开天线大型化的途径之一。热刀压紧释放装置由编织绳索和陶瓷热刀组成，绳索熔断时冲击小、无污染，可有效降低太阳翼等可展开结构解锁过程对航天器精密部件的冲击。

3.1 空间系绳

空间系绳是利用几公里甚至几百公里长的绳索，将卫星、空间站、飞船等航天器连接在一起构成的飞行系统。早期的空间系绳主要用于开展人工重力、航天器轨道控制和太空辐射测量等实验[27-28]。随着研究的深入，电动力系绳被提出[29]，空间系绳在太空发电、绳系机器人、绳系交会对接、轨道垃圾回收等方面的应用价值被发现。NASA、意大利航天局(ASI)和日本空间科学研究所(ISAS)等航天机构开展了一系列的在轨应用实验，验证空间系绳技术的可行性，如表2所示。

表2 空间系绳实验任务Tab.2 Space tether missions

从表2可以看出，除一些需要将铜或铝嵌入系绳作为导电材料的电动力系绳外，大部分系绳由芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维材料制成，实现了系绳质量和强度之间的平衡。但近地轨道空间环境中存在原子氧、紫外线和大量空间碎片，系绳的安全性及可靠性成为系绳任务成败的关键因素。有研究表明：质量和长度相同的扁带系绳遭受致命撞击的概率要低于管状系绳；且纱线数量较多的系绳能够抵御更多空间碎片的撞击[39-40]。一方面，在系绳质量和体积一定的情况下，通过合理设计系绳的编织结构与工艺参数，可提升系绳的强度和抗冲击性能。另一方面，可选择TiO2、镍等涂层材料以降低系绳在经受原子氧侵蚀和紫外线辐射后的力学性能损失[41]。

3.2 桁架式网状可展开天线

桁架式网状可展开天线的反射面由柔性金属网和编织绳索相互交织形成的索网构成，索网结构在一定程度上解决了天线口径和质量之间的平衡问题，满足星载天线轻量化和大型化的需求，因此，桁架式网状可展开天线是星载可展开天线最常用的形式。根据索网边界支撑结构的不同，桁架式网状可展开天线衍生出不同的结构形式，例如日本MUSES-B卫星的张力桁架可展开天线[42]、日本ETS-VIII通信卫星的构架单元可展开天线[43]和美国Thuraya系列通信卫星的环形桁架可展开天线[44]等。

由于桁架式网状可展开天线发射前处于收拢状态，卫星入轨后需要对编织绳索施加一定的预紧力(< 100 N)， 才能使索网形成满足工作要求的形状和刚度[45]。索网结构的稳定性直接决定了天线辐射效率、增益等电磁性能，但索网结构的形面精度受绳索预紧力及变形、制造和装配误差等多种因素的影响[46]。其中绳索长时间服役时产生的蠕变和应力松弛是导致索网结构发生变形的直接原因[47]，如图 2所示。需要在天线设计初期对编织绳索在预紧力和空间环境下的蠕变、应力松弛特性进行详尽分析，然后在索网结构设计和制造中进行补偿。由于目前天线在轨“主动”控制调整索网形面还处于概念设计阶段，上述“被动”的方法仍然是提高桁架式网状可展开天线精度最可靠的方法。

图2 天线索网结构变形Fig.2 Deformation of cable net antenna

3.3 热刀压紧释放装置

压紧释放装置(HDRS)是实现航天器和附件之间连接，入轨后又按规定要求解除约束的机械装置[48]。与传统火工HDRS装置相比，热刀HDRS具有显著的优势。20世纪90年代，荷兰福克空间与系统(FSS)公司开发了由Kevlar编织绳索和陶瓷热刀组成的HDRS(见图3)，用于太阳翼、空间可展开天线、防护罩等航天器可展开结构和太空附属物的锁紧释放。美国EOS-PM卫星、欧洲航天局(ESA)ENVISA卫星、浙江大学皮星二号卫星和国防科大天拓一号卫星均成功应用了该项技术[49-51]。

图3 热刀压紧释放装置Fig.3 Thermal knife holding and release device

热刀HDRS的释放是航天器在轨的一次性动作，要求在规定时间内完成，因此，编织绳索的熔断温度和张力是热刀HDRS研制过程中重点关注的问题。由于Kevlar纤维的熔点高达560 ℃，热刀熔断绳索需要耗费较多时间和能量。荷兰FSS公司尝试使用熔点较低的超高分子量聚乙烯绳索替代Kevlar绳索，但超高分子量聚乙烯绳索的预紧力在9个月后下降约70%，严重影响了绳索的熔断效率[52]。荷兰航天局(Dutch Space)也对此进行了深入研究，他们认为顺利完成熔断过程需要保证绳索中张力至少为预紧力的50%[53]，因此，考虑到超高分子量聚乙烯纤维的蠕变特性，目前热刀HDRS的绳索材料主要采用Kevlar纤维。

另一方面，编织绳索作为热刀HDRS的主要承载单元，除了要保证被锁紧结构处于合理的收拢状态，还要能够承受地面运输、航天器发射时的载荷环境[54]。所以编织绳索组件的连接可靠性往往是影响整个航天器安全性的重要因素之一。热刀HDRS绳索组件的连接方式主要包括闭合绳索、盆栽式固化和锥销连接3种[55]。其中，闭合绳索可最大程度利用绳索的强度，但同时会增加绳索组件的体积和质量；盆栽式固化连接方式对树脂的热稳定性、蠕变性能以及与绳索材料的界面结合强度有很高要求；因此，锥销连接是目前热刀HDRS绳索组件最可靠的连接方式。但由于锥销连接方式是利用锥销与纤维之间的挤压和摩擦作用实现锁紧，绳索组件连接部位的纱线会产生应力集中[53]，而且可能受到纤维在销孔内分布状态和编织结构的影响，所以编织绳索组件的连接强度有待优化与提高。

4 编织绳索的蠕变和松弛行为研究

由于芳纶、聚芳酯等合成纤维材料固有的粘弹性，合成纤维绳索在载荷作用下表现出明显的时间依赖性，如蠕变和应力松弛行为。在真空、高低温交变和紫外线辐射等复杂的空间环境影响下，绳索的蠕变和应力松弛行为变得更加复杂。NASA开展了大量的实验研究工作，分析了纤维材料、环境条件、载荷水平等因素对编织绳索蠕变与应力松弛行为的影响[56-58]。研究发现，芳纶编织绳索蠕变和应力松弛过程分为初始、稳态和加速3个阶段：其中稳态蠕变应变与时间成线性关系；初始阶段与稳态阶段的应力松弛率均与时间呈线性对数关系，且初始阶段的松弛率约为第2阶段的1.4倍；在50%拉伸强度(UTS)载荷水平下，芳纶编织绳索的蠕变率约为聚芳酯编织绳索的4倍。丁许[59]研究表明在25% UTS载荷水平下，芳纶编织绳索在40 d内的松弛率约为聚芳酯纤维编织绳索的2.13倍，说明在相同载荷条件下，聚芳酯编织绳索比芳纶编织绳索具有更好的抗蠕变和应力松弛性能。李伟[60]以Fette等[56]的研究为基础，建立了聚芳酯编织绳索的蠕变和应力松弛方程，预测了绳索在交变温度环境下的蠕变和应力松弛行为，预测结果与实验结果具有良好的一致性。

在蠕变加速阶段，编织绳索的塑性应变快速增加，最终导致失效的发生。NASA兰利研究中心研制了一套集成加热和冷却系统的新型蠕变实验装置，研究了聚芳酯编织带试样在受控环境条件下的蠕变行为寿命[61-63]。结果显示，2种长度的聚芳酯编织带试样的蠕变规律并无明显差异。在交变温度条件下，聚芳酯编织带稳态蠕变阶段内的蠕变行为与温度的变化规律一致，但较高载荷水平(>50% UTS)可消除交变温度对蠕变行为的影响，因此，编织带的蠕变行为主要与载荷水平和温度有关。除此之外，载荷水平对编织带的蠕变寿命具有重要影响，编织带在65%UTS载荷水平下的蠕变寿命约为70%UTS载荷水平下的12倍。NASA计划在未来开展载荷水平小于50%UTS的蠕变实验，量化高温低交变、真空和蠕变载荷等因素对聚芳酯编织带蠕变寿命的影响，对预测太空居住舱(Transhub)的蠕变行为和寿命具有重要意义。由于极性基团可与水分子缔合形成水合物，因此，高性能纤维的力学性能在一定程度上受吸湿性的影响。杨惠杰[64]研究了聚酰亚胺编织绳索在不同湿度条件下的蠕变和应力松弛行为。结果显示，编织绳索在相对湿度为95%环境中的稳态蠕变速率约为相对湿度为60%环境中的2倍；真空环境中，编织绳索的松弛率远低于常温常压和水浸渍环境下的松弛率。这可能是由于水分子可与聚酰亚胺分子中的酰胺基结合，导致聚酰亚胺分子链之间氢键破坏，因此，湿度环境会增加亲水性纤维(如芳纶)的应力松弛率。

蠕变和应力松弛测试是一个非常耗时的过程，而且需要特殊的实验装置才能提供长期恒定的载荷或应变，基于短期实验测试开发的理论模型可有效降低实验测试成本：Tang等[65]基于 Schapery非线性黏弹性本构模型建立了绳索应力松弛方程，并利用Prony级数推导阶跃载荷作用下绳索的蠕变-恢复本构模型，为网状可展开天线索网结构的设计和优化提供了理论支撑，但模型没有考虑到绳索的黏塑性行为；Huang等[66]结合Schapery模型和Owen黏塑性理论建立了线性本构模型，预测芳纶和聚酯纤维绳索的蠕变-恢复行为，模型的计算结果与实验结果相吻合，但其适用性有待检验，有望推广到尺度更小的纤维几何体，如股线和纱线；Lian等[67]基于热力学建立了黏弹性、黏塑性和黏滞损伤蠕变模型，模型计算结果与高模量聚乙烯(HMPE)绳索在不同载荷水平下的蠕变测试数据具有较好的一致性，该模型可有效模拟HMPE绳索的蠕变断裂行为，但忽略了编织结构对绳索蠕变行为的影响。目前，这方面的研究还处于初步探索阶段，模型的适用性有待检验。

5 结束语

高性能纤维编织绳索具有优异的力学性能和可设计性，在空间系绳、网状可展开天线、热刀压紧释放装置等航天器可展开结构中得到了广泛应用。编织绳索的蠕变和应力松弛行为研究也取得了实质性的成果，为编织绳索在太空居住舱等充气式空间结构中的应用提供了有效支撑，但仍存在一些亟待解决的关键问题。

1)编织绳索发生蠕变和应力松弛的本质是在载荷作用下纤维材料的分子构象发生了改变，由于材料独特的分子结构，表现出不同的黏弹性响应。高性能纤维在载荷、温湿度、真空、辐射、原子氧等多因素耦合条件下的蠕变和应力松弛行为有待系统化研究。

2)编织绳索是多层次的纤维集合体，目前尚未建立纱线加捻、编织结构等因素与编织绳索蠕变和应力松弛行为之间的联系，有必要建立理论模型和开展大量实验去分析。

3)编织绳索与其他部件的连接效率有待优化与提高，特别是针对锥销连接方式，编织绳索组件的连接强度与编织结构之间的联系需要进一步探索。