張濤濤 從強(qiáng) 張中原 任晗

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

受限于運(yùn)載火箭苛刻的發(fā)射載荷條件和整流罩內(nèi)有限的容積，可收展結(jié)構(gòu)由于具有發(fā)射時(shí)收攏、入軌后展開的功能，廣泛應(yīng)用于有大尺寸需求的航天器結(jié)構(gòu)上，如太陽(yáng)翼、反射面天線、大型遮光罩、太陽(yáng)帆、離軌帆、支撐需遠(yuǎn)離主結(jié)構(gòu)載荷(如磁力計(jì)、通信天線、監(jiān)視相機(jī)等)的伸桿/桅桿等。常見的可收展結(jié)構(gòu)按構(gòu)型不同，分為一維臂/桿/繩、二維板/殼/膜、三維索網(wǎng)收展結(jié)構(gòu)；按收展原理不同，又分為剛性鉸鏈、繩系牽引、大變形、薄膜折紙、充氣等結(jié)構(gòu)。

其中，可收展結(jié)構(gòu)中的可收展大變形結(jié)構(gòu)，是指利用材料自身彈性變形特性實(shí)現(xiàn)收展功能的結(jié)構(gòu)，其根據(jù)材料不同又分為可收展大變形金屬結(jié)構(gòu)和可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?？墒照勾笞冃螐?fù)合材料結(jié)構(gòu)由于其輕質(zhì)、高穩(wěn)定、收展簡(jiǎn)單、收納比高等優(yōu)異特性，具有一定的應(yīng)用前景。

本文首先對(duì)可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在國(guó)外航天器上的應(yīng)用情況開展調(diào)研，從應(yīng)用產(chǎn)品、應(yīng)用部位、收展方式、材料、研發(fā)機(jī)構(gòu)、成熟度進(jìn)行歸納；其次，對(duì)航天器可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)按不同的樹脂基材料和構(gòu)型進(jìn)行梳理和分類，比較各類結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，給出不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的適用場(chǎng)景；最后，對(duì)我國(guó)可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航天器上的應(yīng)用提出設(shè)計(jì)、制造、空間環(huán)境驗(yàn)證的建議。

1 可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在國(guó)外航天器上的應(yīng)用情況

1.1 美國(guó)

圖1(a)為美國(guó)DSS公司為“國(guó)際空間站”(ISS)研制的卷繞式柔性太陽(yáng)翼(ROSA)[1-4]，其兩根主支撐桿為采用樹脂基復(fù)合材料的可收展C型卷繞桿。ROSA展開后長(zhǎng)度約5.4 m，寬度為1.7 m。兩根卷繞式復(fù)合材料主支撐桿位于柔性太陽(yáng)毯兩側(cè)。采用低熱膨脹系數(shù)的樹脂基復(fù)合材料使得結(jié)構(gòu)在軌的熱變形扭曲擾動(dòng)較低。C型卷繞式復(fù)合材料由三層碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料模壓成型，直徑約100 mm，收攏狀態(tài)為扁平狀態(tài)卷繞至卷軸上，展開后恢復(fù)為C型截面，實(shí)物見圖1(b)左所示。DSS公司制造了桿件的飛行模擬件，在地面驗(yàn)證了展開剛度和強(qiáng)度，并開展了極限溫度條件-60～+90 ℃下的展開力矩測(cè)試。ROSA目前已成功在軌應(yīng)用。

圖1 DSS公司研制的ROSA

類似的卷繞桿，NASA蘭利中心為小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可伸展結(jié)構(gòu)也開展了一系列mini型卷繞桿件的預(yù)先研究[5]。

圖2為美國(guó)諾格公司研制的一種盤壓桿可收展結(jié)構(gòu)[6-7]。盤壓桿由三/四根長(zhǎng)桿件作為主支撐桁架，主體桿件采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂成型，具有高的比強(qiáng)度。收攏狀態(tài)為桿件盤繞收攏，展開過程利用桿件的彈性能回彈展開，展開后桿件之間采用繩系張緊提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。諾格公司研制了一系列近40余種不同尺寸的盤壓桿結(jié)構(gòu)，展開長(zhǎng)度在0.8～44.5 m，結(jié)構(gòu)直徑在0.17～0.86 m。圖2(a)為盤壓桿的典型結(jié)構(gòu)，其中下部為剛性展開結(jié)構(gòu)，上部為收攏端，中間區(qū)域?yàn)閺?fù)合材料桿件的大變形螺旋過渡區(qū)。圖2(b)為5個(gè)盤壓桿結(jié)構(gòu)組成的太陽(yáng)帆原理樣機(jī)。盤壓桿目前已成功在軌應(yīng)用。

圖2 諾格公司研制的盤壓桿和盤壓桿組裝的太陽(yáng)帆原理樣機(jī)

圖3為諾格公司為歐洲航天局火星快車號(hào)探測(cè)器衛(wèi)星研制的天線伸展桿結(jié)構(gòu)[8-10]。天線結(jié)構(gòu)由兩根分別長(zhǎng)為20 m和一根長(zhǎng)為7 m的可收展桿件組成。桿件由凱夫拉纖維和玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料形成。20 m桿件由13個(gè)鉸鏈+13根分桿組成。圖3(a)為天線桿件的收攏形式，圖3(b)為鉸鏈的局部構(gòu)型，圖3(c)為展開過程。天線伸展桿結(jié)構(gòu)在軌除一處鉸鏈展開130°外，其余均成功展開180°。

圖3 應(yīng)用于歐洲火星快車號(hào)探測(cè)器的天線伸展桿結(jié)構(gòu)

類似的彈性鉸鏈還有Foster-Miller公司研制的系列大變形復(fù)合材料彈性鉸鏈[11-12]。Foster-Miller公司鉸鏈已應(yīng)用于美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的某型號(hào)整體鉸鏈?zhǔn)焦鈱W(xué)支撐結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀反射面收展臂的鉸鏈、NASA木星冰月軌道探測(cè)器雷達(dá)天線的鉸鏈。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室空間飛行器中心資助新墨西哥大學(xué)也研制了彈性鉸鏈?zhǔn)娇烧归_相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)[13]。另外，加州理工大學(xué)研制了用于立方星伸展結(jié)構(gòu)的彈性鉸鏈桿[14,15]。

圖4為加州理工大學(xué)為歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)Astrium公司研制的單凹面折疊新概念合成孔徑雷達(dá)(SAR)反射面天線結(jié)構(gòu)[16]。天線結(jié)構(gòu)由單曲率反射面和兩背撐面組成，弧面長(zhǎng)度6.5 m，寬度3.2 m，圖4(a)為單曲率凹面折疊反射面天線結(jié)構(gòu)展開狀態(tài)。反射面殼體總厚度0.3 mm，由3層碳纖維復(fù)合材料編制預(yù)浸料成型。反射面結(jié)構(gòu)展開后均方根(RMS)值5.1 mm，在軌熱變形分析值0.04 mm，展開后頻率3.3 Hz。折疊時(shí)背撐面與反射面沿折縫處的鉸鏈折疊，然后反射面Z字形折疊。圖4(b)為其Z字型折疊狀態(tài)，在每一折痕位置為鉸鏈結(jié)構(gòu)。目前，由于型面精度低的原因，此類結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SAR天線還需開展進(jìn)一步的提升。

圖4 復(fù)合材料鉸鏈應(yīng)用于折疊反射面結(jié)構(gòu)

圖5為美國(guó)休斯公司研制的用在北美移動(dòng)通訊系統(tǒng)(MSAT)中的MSAT-1和AMSC-1(MSAT-2)衛(wèi)星上的自回彈反射面天線[17]。天線反射面采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)，在反射面背面使用高回彈的彈性背架。在外力作用下，反射器被卷曲以便收納于運(yùn)載整流罩有效包絡(luò)空間內(nèi)，衛(wèi)星入軌后，去除外力，反射器可利用其自身彈性恢復(fù)至所需要的型面。由于反射面構(gòu)型為殼體結(jié)構(gòu)，加上其背筋具有一定的剛性，其收攏比較低。

圖5 自回彈反射面天線結(jié)構(gòu)

圖6是美國(guó)L’Garde公司基于聚氨酯柔性樹脂體系研制的各種系列形狀記憶復(fù)合材料充氣可收展桿件[18]。聚氨酯柔性樹脂具有低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。桿件由三層纖維/聚氨酯樹脂基復(fù)合材料成型。通過聚氨酯樹脂的配方，使得樹脂能夠抗空間的電離輻射環(huán)境以及不同的Tg溫度。這種桿件在高于Tg溫度時(shí)，樹脂處于柔性狀態(tài)，可以將桿件內(nèi)空氣抽出沿徑向壓扁后折彎，如圖6(a)所示，入軌后，向桿件內(nèi)腔充氣后使得桿件伸展，然后利用空間的低溫環(huán)境，使得桿件的溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，從而使桿件剛性化。

圖6 基于形狀記憶復(fù)合材料的可折疊桿件

這種桿件應(yīng)用于NASA蘭利中心的300 m超長(zhǎng)雷達(dá)天線(見圖7(a))、NASA馬歇爾航天中心的20 m×20 m太陽(yáng)帆(見圖7(b))、阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室為Cibola試驗(yàn)衛(wèi)星研制的收展天線衛(wèi)星(見圖7(c))。由于桿件需要充氣展開，一定程度限制了其應(yīng)用范圍，太陽(yáng)帆和雷達(dá)天線桁架支撐結(jié)構(gòu)還在地面驗(yàn)證階段。

圖7 基于形狀記憶復(fù)合材料桿件的應(yīng)用

美國(guó)CTD公司也開展了形狀記憶復(fù)合材料可收展結(jié)構(gòu)相關(guān)的研制[19-20]，展開鉸鏈應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)星-2(TacSat-2)的太陽(yáng)翼展開結(jié)構(gòu)上，桁架鉸鏈擬應(yīng)用于小衛(wèi)星的展開結(jié)構(gòu)上。另外，CTD公司還研制了熱致型C型彈性記憶桿[21]，見圖8(a)所示。桿件長(zhǎng)度2.5 m，直徑64 mm，在材料熱激活溫度以上可通過熱繞驅(qū)裝置卷繞，在地面環(huán)境低于材料熱激活溫度以下保持卷繞收攏狀態(tài)；進(jìn)入太空后通過太陽(yáng)光加熱可以自動(dòng)展開成直管狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛化，起到支撐作用。桿件最初擬用于卷繞式太陽(yáng)翼上(見圖8(b))，但后續(xù)尚未見其相關(guān)報(bào)道。

圖8 擬應(yīng)用于柔性太陽(yáng)翼的熱致型形狀記憶復(fù)合材料

圖9為加州理工大學(xué)[22-23]以立方星錐狀天線需要收攏為研究目標(biāo)，研制的基于雙樹脂體系的可展開結(jié)構(gòu)，即在結(jié)構(gòu)折彎大變形處采用柔性樹脂，非折彎處采用傳統(tǒng)熱固性樹脂，其收攏過程仿照Origami折紙技術(shù)折疊。成型過程為先將剛性處固化，其后在折彎處浸潤(rùn)柔性樹脂，在紫外輻照環(huán)境下將柔性樹脂固化。同樣的雙樹脂體系也應(yīng)用于柔性鉸鏈上[24]。

圖9 基于雙樹脂復(fù)合材料的錐型天線樣件收攏過程

1.2 歐洲

圖10(a)為德國(guó)宇航局(DLR)和歐洲航天局(ESA)研制的利用太陽(yáng)光壓長(zhǎng)周期飛行的尺寸為20 m×20 m的太陽(yáng)帆地面原理樣機(jī)[25-27]。原理樣機(jī)由4根主豆莢桿(見圖10(b))沿太陽(yáng)帆的展開中心分別向4個(gè)方向展開，展開過程中同時(shí)牽引兩側(cè)的帆膜展開成平面。豆莢桿由兩瓣0.1 mm厚的Ω型碳纖維復(fù)合材料相對(duì)膠接成型，鋪層方向?yàn)?°和±45°，線密度只有62 g/m。Ω型截面高110 mm，寬度150 mm。研制團(tuán)隊(duì)于2009年在零重力飛行實(shí)驗(yàn)室飛機(jī)上開展了豆莢桿的零重力展開測(cè)試。類似的結(jié)構(gòu)還有ESA資助的“用于離軌的可展開薄膜帆”項(xiàng)目的5 m×5 m離軌帆原理樣機(jī)的展開狀態(tài)[28]。

圖10 應(yīng)用于太陽(yáng)帆的豆莢桿

圖11(a)為英國(guó)和阿爾及利亞航天部門為3U微納立方星研制的磁力計(jì)伸桿支撐結(jié)構(gòu)[29-30]。支撐結(jié)構(gòu)由C形卷繞桿、卷繞釋放機(jī)構(gòu)、電路板控制系統(tǒng)等組成，端部磁力計(jì)等負(fù)載設(shè)備重約0.61 kg。C形卷繞桿如圖11(b)所示，展開總長(zhǎng)度1.5 m，直徑20 mm，C形張口224°。桿件厚度0.3 mm，由平紋編織布環(huán)氧預(yù)浸料碳纖維復(fù)合材料模壓成型。桿件卷繞收攏力矩約26 N·mm，展開力矩約17 N·mm，由控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)其伸展和收攏。伸桿支撐結(jié)構(gòu)在地面開展了功能及環(huán)境測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試、模擬在軌溫度(-20～+48 ℃)的展開和收攏測(cè)試、擾動(dòng)裕度測(cè)試。AlSat-1N衛(wèi)星入軌后伸桿支撐結(jié)構(gòu)在約-3 ℃環(huán)境下成功展開，圖11(c)為在軌展開圖。

圖11 應(yīng)用于立方星的C形伸展桿

圖12為愛爾蘭利莫瑞克大學(xué)研制的一種應(yīng)用于立方星上的輕質(zhì)網(wǎng)格式可伸展桿件結(jié)構(gòu)[31-32]。其由碳纖維復(fù)合材料窄帶沿順時(shí)針或逆時(shí)針相互交叉成對(duì)螺旋纏繞，在交叉點(diǎn)采用連接釘固定，使其能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。收攏時(shí)網(wǎng)格筒直徑大，但高度低；展開時(shí)，網(wǎng)格筒直徑小，可以伸展至較長(zhǎng)的高度，見圖12(c)所示。

圖12 網(wǎng)格式可伸展桿件結(jié)構(gòu)

圖13為德國(guó)慕尼黑大學(xué)研制的一種碳纖維增強(qiáng)的新型硅酮(Silicone)柔性樹脂基復(fù)合材料(CFRS)[33-36]。新型Silicone柔性樹脂具有低出氣和揮發(fā)率、抗紫外輻射和原子氧、溫度適應(yīng)范圍廣、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低(僅-105 ℃)、可以室溫成型等優(yōu)點(diǎn)。柔性樹脂浸潤(rùn)T300碳纖維三向編織物后固化成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。新型CFRS一方面有較好的面內(nèi)剛度和低的熱膨脹系數(shù)，另一方面有很好的折展性，可以較容易折疊為不同的形狀。可收展固面天線相比于可收展柔性絲網(wǎng)反射面有很高的總均方根(RMS)精度，可以用于高頻天線波段。

圖14是用CFRS制成的反射面天線結(jié)構(gòu)，反射面均采用圖13中的三向纖維編織CFRS。圖14(a)為展開狀態(tài)，圖14(b)為收攏狀態(tài)。這種高收納比的發(fā)射面天線的背筋采用分區(qū)設(shè)計(jì)，剛性區(qū)采用熱固性樹脂CFRP，柔性大變形區(qū)采用柔性樹脂CFRS。

圖13 基于三向纖維編織的柔性樹脂基CFRS細(xì)節(jié)圖

圖14 基于CFRS的反射面天線原理樣機(jī)展開和收攏

1.3 小結(jié)

表1從應(yīng)用產(chǎn)品、構(gòu)型、材料、研發(fā)部門、成熟度等幾個(gè)維度匯總了調(diào)研的國(guó)外航天器可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況。

表1 可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在國(guó)外航天器上的應(yīng)用情況匯總

2 航天器可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分類及應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 按不同樹脂基材料的分類及應(yīng)用場(chǎng)景

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)指具有可大變形收展特征的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在變形收展過程中結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷。通過對(duì)可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在國(guó)外航天器上的應(yīng)用調(diào)研，按不同的樹脂基體材料可分為以下兩類(材料的變形原理如圖15所示)。

1)剛性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

利用材料應(yīng)變能存儲(chǔ)原理收攏和展開，大變形過程中結(jié)構(gòu)局部仍為小應(yīng)變假設(shè)狀態(tài)，不需要大的力矩輔助驅(qū)動(dòng)就可自動(dòng)展開的結(jié)構(gòu)。通常由傳統(tǒng)熱固性樹脂基復(fù)合材料制成，為適應(yīng)大變形可收展的功能，構(gòu)型通常為薄壁結(jié)構(gòu)(厚度t一般不超過0.5 mm)。結(jié)構(gòu)的曲率變形僅允許在材料的彈性變形范圍內(nèi)，板殼結(jié)構(gòu)的小應(yīng)變假設(shè)成立，變形后殼體的中心面位置與變形前相同，如圖15(a)所示。

圖15 可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)按不同樹脂基體材料的收展變形過程

2)柔性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

利用樹脂的柔性特性發(fā)生大應(yīng)變變形的結(jié)構(gòu)。允許纖維微屈曲是柔性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以承受較大的彎曲變形的原因，結(jié)構(gòu)小應(yīng)變假設(shè)不成立，變形后殼體的中心面向凸側(cè)偏移，如圖15(b)所示。柔性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)按基體材料組份不同又分為形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和類橡膠柔性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

(1)形狀記憶聚合物樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(SMPC)：利用樹脂材料內(nèi)部的兩相基體發(fā)生大變形的結(jié)構(gòu)，即保持宏觀原始形狀的固定相和可逆軟化硬化的可逆相。較常用的為熱致型形狀記憶復(fù)合材料，低于樹脂Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)在收攏狀態(tài)硬化，通過外界加熱至高于樹脂Tg狀態(tài)下結(jié)構(gòu)軟化變形至展開狀態(tài)，然后降溫低于樹脂Tg狀態(tài)下結(jié)構(gòu)再次硬化。

(2)類橡膠柔性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)：樹脂始終處于柔性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，柔性樹脂類似于汽車輪胎橡膠、生物軟骨組織等。允許纖維材料在折疊過程中微屈曲未損傷，從而達(dá)到高應(yīng)變，同時(shí)存儲(chǔ)的應(yīng)變能可使結(jié)構(gòu)自展開。

表2列出了兩類可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的區(qū)別和應(yīng)用場(chǎng)景。剛性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的樹脂為熱固性硬質(zhì)樹脂，面外剛度較高，彎折率較小，彎折過程中易出現(xiàn)脆性開裂，常用于可伸展支撐桿、支撐肋、彈性鉸鏈等。柔性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的樹脂為柔性樹脂，纖維體積含量較低，面外剛度低，但彎折率較硬質(zhì)樹脂高，通常用于負(fù)載較小的柔性鉸鏈、柔性天線反射面等。

表2 兩種可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的區(qū)別與應(yīng)用場(chǎng)景

2.2 按不同構(gòu)型的分類及應(yīng)用場(chǎng)景

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在構(gòu)型上通常以鉸鏈、可卷繞桿件、大變形桁架和殼體4種類型應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)，如圖16所示。

(1)鉸鏈通過結(jié)構(gòu)兩端折彎后收攏，具體形式有兩側(cè)開槽式和C形等構(gòu)型，在航天器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用有太陽(yáng)翼鉸鏈、大型SAR天線收展桁架的鉸鏈等。

(2)可卷繞桿件的截面有人字形、C型、雙Ω型(豆莢型)等(見圖16(b))，在收攏過程中，首先將端部壓扁平狀態(tài)，然后以端部為起始，將桿件卷繞至卷軸上，在航天器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用有大面積膜類(如太陽(yáng)毯、遮光膜、天線陣面等)的主支撐結(jié)構(gòu)等。

圖16 可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)型

(3)大變形桁架通過沿展開方向均布若干根卷繞桿，展開前卷繞收攏于根部，通過彈性變形展開后，卷繞桿之間等間隔采用一定方式相互約束，提高展開剛度，在航天器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用有支撐需遠(yuǎn)離主結(jié)構(gòu)載荷的伸桿/桅桿等。

(4)可收攏殼體通過將曲面折彎后收攏為體積較小的結(jié)構(gòu)，在航天器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用有天線反射面等。

3 可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)航天器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用驗(yàn)證建議

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航天器上應(yīng)用需面臨兩個(gè)本質(zhì)上矛盾的需求：結(jié)構(gòu)需足夠柔性來滿足大變形收攏特征；但另一方面，結(jié)構(gòu)又需有足夠的剛性來滿足展開后支撐外載荷和/或結(jié)構(gòu)自身的基頻。也就是說，結(jié)構(gòu)若過于柔性，則較難滿足其基本的剛度需求；若過于剛性，其收展過程可能會(huì)發(fā)生損傷。所以，可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的大變形部件通常作為關(guān)鍵核心部件應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)，其性能優(yōu)劣直接決定了可收展大變形結(jié)構(gòu)能否可靠展開。

通過構(gòu)型和參數(shù)等優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料性能及工藝制造摸索、可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證等全流程研制和迭代，可以提高可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成熟度等級(jí)。首先，由于結(jié)構(gòu)的大變形特征，在收展過程中需抑制結(jié)構(gòu)脆性開裂等形式的損傷，且控制穩(wěn)定收展。其次，由于結(jié)構(gòu)的折彎、超薄和超長(zhǎng)等特性，在制造過程中需保證纖維的均布性、樹脂組份配比的均勻性以及超長(zhǎng)連續(xù)成型等。最后，由于嚴(yán)苛的空間環(huán)境條件，在應(yīng)用過程中需針對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，我國(guó)航天器可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需開展設(shè)計(jì)、制造和空間環(huán)境應(yīng)用驗(yàn)證三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作。

3.1 設(shè)計(jì)

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)包含以下三方面內(nèi)容。

1)構(gòu)型設(shè)計(jì)和材料選型

首先需確定可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)型，設(shè)計(jì)參數(shù)包括結(jié)構(gòu)展開狀態(tài)、收攏后的構(gòu)型參數(shù)等。例如，C字形和人字形卷繞桿的截面尺寸，卷繞直徑等。其次，確定纖維和樹脂類型和鋪層方式，如剛性樹脂基還是柔性樹脂基，碳纖維還是玻璃纖維等?？墒照勾笞冃螐?fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的上下表層性能決定了收攏狀態(tài)下的彎曲程度，故上下表層通常選取低剛度高應(yīng)變的材料，如編織布材料；另一方面，由于結(jié)構(gòu)展開后需要有較高的剛度，故中間層通常選擇沿展開方向的單向鋪層方式。

對(duì)于柔性樹脂，還需考慮樹脂的超彈性狀態(tài)對(duì)纖維微屈曲的影響。另外，形狀記憶聚合物樹脂材料還需考慮可逆相樹脂的百分比含量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、Tg轉(zhuǎn)變前后的樹脂楊氏模量等參數(shù)。

2)收展過程結(jié)構(gòu)多形態(tài)特征的分析模擬及強(qiáng)度裕度評(píng)估

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的收展過程難以通過解析方程求解，通常采用有限元模擬大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的收展過程。由于收攏展開過程結(jié)構(gòu)局部涉及到變形較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的隱式迭代分析模擬方法難以收斂，通常采用顯式有限元模擬準(zhǔn)靜態(tài)收展過程。結(jié)構(gòu)收展過程為多形態(tài)連續(xù)變化過程，邊界約束條件的施加需保證各形態(tài)之間的連續(xù)穩(wěn)定過渡。

在材料性能測(cè)試方面，由于結(jié)構(gòu)大變形特征，與傳統(tǒng)經(jīng)典層合板理論的失效準(zhǔn)則不同，大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要采用新的損傷準(zhǔn)則來準(zhǔn)確判斷其剩余強(qiáng)度裕度、結(jié)構(gòu)恢復(fù)率，如引入最小折彎半徑、折彎彎矩、重復(fù)彎曲后的恢復(fù)率等參數(shù)。

3)展開后結(jié)構(gòu)剛度特性評(píng)估

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在軌展開后，需要評(píng)估結(jié)構(gòu)的剛度特性是否滿足航天器指標(biāo)要求，還需考慮結(jié)構(gòu)由于薄壁特征引起的局部穩(wěn)定性等。

3.2 制造

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造分為剛性樹脂基和柔性樹脂基兩類。

1)剛性樹脂基可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于最大折彎曲率較小，所以為使得結(jié)構(gòu)有較高的收納比，層合結(jié)構(gòu)的總厚度一般不超過0.5 mm，采用超薄型預(yù)浸料(通常為0.03～0.04 mm)等。制造過程首先將預(yù)浸料放置于模具中，然后放置脫模布、透氣氈、真空袋，檢查真空袋密封性，最后將模具放于熱壓罐中固化，固化完成后，將陰模和陽(yáng)模分開，清理打磨后，產(chǎn)品制造完成。采用超薄型預(yù)浸料時(shí)，樹脂與纖維沿厚度、面內(nèi)分布的均勻性、制造過程中的微裂紋抑制等，都影響展開過程中的可靠性、展開后的精度等，所以需開展成型后的纖維微觀分析。

另外，隨著航天器展開尺寸要求越來越大，可收展大變形復(fù)合材料主支撐結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度也要求越來越長(zhǎng)，甚至達(dá)到上百米尺度。結(jié)構(gòu)由于需要連續(xù)卷繞收攏，中間不宜拼接成型，只能采取整體超長(zhǎng)連續(xù)成型。由于場(chǎng)地限制等因素，通過制作上百米的模具整體成型已無可能，所以針對(duì)超長(zhǎng)復(fù)合材料卷繞桿還需發(fā)展復(fù)合材料的分段連續(xù)固化成型技術(shù)。

2)柔性樹脂基復(fù)合材料在固化過程中，由于樹脂基內(nèi)部極易出現(xiàn)氣泡，故采用控制外壓大小、紫外輻照輔助等方式來抑制固化過程中的氣泡產(chǎn)生，針對(duì)特定的樹脂材料還需制定特定的工藝改進(jìn)措施。樹脂的增韌相填充比例等也影響收攏過程的可靠性。另外，形狀記憶聚合物中兩相樹脂的固化溫度、柔性樹脂的樹脂固化溫度等的選取也影響成型的精度和剛度。

3.3 應(yīng)用驗(yàn)證

可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的空間環(huán)境應(yīng)用驗(yàn)證主要包括以下內(nèi)容。

(1)通過地面吊掛、氣浮等零重力模擬試驗(yàn)方法，開展可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)展開過程的可靠性測(cè)試以及展開后的剛度測(cè)試。

(2)根據(jù)空間軌道及姿態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，開展可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱真空狀態(tài)下的可靠展開測(cè)試，并且在重復(fù)收展?fàn)顟B(tài)下對(duì)展開后的精度進(jìn)行評(píng)估。

(3)空間高能粒子輻照、原子氧等對(duì)柔性樹脂基材料的影響較大，可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還需開展材料級(jí)的耐空間環(huán)境輻照等測(cè)試和評(píng)估。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在國(guó)外航天器上應(yīng)用情況的調(diào)研，從應(yīng)用產(chǎn)品、構(gòu)型、材料、研發(fā)部門、成熟度等幾個(gè)維度匯總了國(guó)外目前的應(yīng)用情況。比較了各類結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和應(yīng)用場(chǎng)景等，并建議我國(guó)可收展大變形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用驗(yàn)證三方面開展研究，進(jìn)一步擴(kuò)展在航天器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用范圍，提高其應(yīng)用成熟度等級(jí)。