陳夜 彭海闊 張如變 王開浚 任友良(上海衛(wèi)星工程研究所)
級(jí),是國內(nèi)空間遙感器反射鏡的首選材料。中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的碳化硅單體反射鏡,直徑達(dá)到4.05m,加工精度高達(dá)15.2nm。而近年來受到關(guān)注的鈹,密度僅為1.8 g/cm,具備高比熱和熱導(dǎo)率特性,有利于消除反射鏡鏡體的溫度梯度,已應(yīng)用于當(dāng)前最先進(jìn)的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡,鈹鏡面口徑達(dá)到6.6m。
面向未來,中國在應(yīng)用衛(wèi)星、載人航天、深空探測(cè)領(lǐng)域制定了一系列的發(fā)展規(guī)劃,包括高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、高性能導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)、長(zhǎng)期載人空間站等,對(duì)衛(wèi)星性能、集成度、壽命均提出了更高的要求。材料作為衛(wèi)星產(chǎn)品的基礎(chǔ)元素,未來存在以下發(fā)展需求。
材料的性能是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星各項(xiàng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ),衛(wèi)星的輕量化、高分辨率強(qiáng)烈地依賴于材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等物理性能的提升。
高集成度是未來衛(wèi)星發(fā)展的重要方向,以適應(yīng)批量化研制、多星組網(wǎng)發(fā)射的新模式。為了使星上設(shè)備實(shí)現(xiàn)更多功能,衛(wèi)星材料還應(yīng)具有感應(yīng)、驅(qū)動(dòng)等能力,提高衛(wèi)星設(shè)計(jì)的集成度。
在以深空探測(cè)為代表的重大任務(wù)中,星上材料需要應(yīng)對(duì)各種空間環(huán)境的挑戰(zhàn),保持性能穩(wěn)定、功能可靠,保障衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命運(yùn)行。
衛(wèi)星工程需求牽引著材料技術(shù)的發(fā)展。面對(duì)未來重大航天任務(wù)規(guī)劃,衛(wèi)星材料不斷追求質(zhì)量、剛度、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、隔熱性等物理性能的提升,開發(fā)智能化功能,完善應(yīng)對(duì)空間碎片的自我防護(hù)能力,呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。
輕量化是衛(wèi)星材料永恒的追求。衛(wèi)星的更新?lián)Q代往往伴隨著結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比的降低,結(jié)構(gòu)輕量化是評(píng)價(jià)衛(wèi)星先進(jìn)性的重要指標(biāo)。
在航天金屬材料中,相較于目前應(yīng)用最廣的鋁,鎂、鋰具有密度低的優(yōu)勢(shì),但存在工藝性、力學(xué)性能不穩(wěn)定的問題,高強(qiáng)度鎂基合金、鋁鋰合金將是金屬材料輕量化的重要方向。復(fù)合材料中,高模量碳纖維、蜂窩結(jié)構(gòu)已普遍應(yīng)用于我國衛(wèi)星,使得結(jié)構(gòu)占衛(wèi)星質(zhì)量比重為10%左右,而更高模量碳纖維、格柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有望將結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比降低至6%~8%,達(dá)到國際先進(jìn)水平。
大尺寸鈹鏡
在遙感、通信、導(dǎo)航、深空探測(cè)領(lǐng)域,光學(xué)相機(jī)、天線等衛(wèi)星有效載荷正在向大口徑、高分辨率方向發(fā)展,光學(xué)設(shè)備與結(jié)構(gòu)件材料需具備高剛度、低膨脹率特性,以保證在軌的構(gòu)型與尺寸穩(wěn)定性。在光學(xué)相機(jī)上,大尺寸碳化硅反射鏡、大尺寸鈹鏡已成為實(shí)現(xiàn)高分辨率的關(guān)鍵技術(shù),具有急迫的工程需求。在大型天線上,高模量纖維、硬質(zhì)薄膜、形狀記憶材料等高比剛度材料將是結(jié)構(gòu)支撐的關(guān)鍵,是我國未來卷曲天線、薄膜天線、充氣天線等超大尺寸空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。
在以載人航天器為代表的大型復(fù)雜衛(wèi)星領(lǐng)域,星上集成了大量的電子元器件。面對(duì)高集成度、高功率元器件的散熱需求,高導(dǎo)熱熱控材料是其中的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率難以滿足需求,需要開展高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料的研究,將熱導(dǎo)率提高10~20 倍。
在深空探測(cè)領(lǐng)域,火星等行星表面存在氣流,溫度變化劇烈,使得傳統(tǒng)的多層隔熱組件效果顯著降低。納米氣凝膠隔熱材料隔熱性能優(yōu)越,熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性高,在復(fù)雜環(huán)境下具備理想的隔熱效果,是火星等行星表面探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)。
衛(wèi)星材料除具有承載、連接等基本結(jié)構(gòu)功能外,還應(yīng)具備自感知、自驅(qū)動(dòng)、自適應(yīng)等多種能力。壓電材料、形狀記憶合金等材料在環(huán)境作用下,形狀、剛度、阻尼等固有性能可以發(fā)生顯著變化,通過與傳感器、驅(qū)動(dòng)器、控制元件復(fù)合組裝,實(shí)現(xiàn)一定的智能特性。例如,將壓電傳感器埋設(shè)于復(fù)合材料,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性監(jiān)測(cè);形狀記憶合金應(yīng)用于展開機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)大型附件的展開與姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。未來,壓電復(fù)合材料、高強(qiáng)度、高剛度的記憶合金材料等新技術(shù)將是推動(dòng)衛(wèi)星功能智能化的重要途徑。
面對(duì)我國未來高價(jià)值衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命要求,材料還承擔(dān)著保護(hù)衛(wèi)星安全、提高衛(wèi)星可靠性的任務(wù)。衛(wèi)星的安全威脅主要來自空間碎片,碎片相對(duì)衛(wèi)星的飛行速度達(dá)到每秒千米級(jí)以上,截至2019 年,國際上公開報(bào)道的衛(wèi)星碎片撞擊事故已超過16 起。對(duì)于毫米級(jí)的微小型碎片,首要目標(biāo)是通過防護(hù)材料最大限度地吸收碎片的動(dòng)能,可考慮的材料包括高強(qiáng)度多層石墨烯、復(fù)合金屬泡沫、多層填充防護(hù)結(jié)構(gòu)等;而對(duì)于更大尺寸的碎片,碰撞后的損傷不可避免,更傾向于通過仿真、試驗(yàn)技術(shù)評(píng)估材料的易損性,提高材料在碰撞后的生存能力,一種思路是將愈合劑植入基體材料,對(duì)材料發(fā)生的損傷進(jìn)行修復(fù),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自愈合。
在中國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)的過程中,將實(shí)施一系列航天重大工程,造就一大批功能性強(qiáng)、復(fù)雜性高的大國重器,亟需先進(jìn)材料技術(shù)的支撐,主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:①高性能材料,包括輕量化材料、高剛度、高穩(wěn)定性材料、高導(dǎo)熱材料、高效隔熱材料等力、熱性能突出的材料;②智能化材料,包括壓電材料、記憶合金等新材料;③防護(hù)性材料,包括高強(qiáng)度防護(hù)材料與自愈合復(fù)合材料等。