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摘 要 在本号前几期“前沿技术”专题文章中，介绍了2023年以来美国国家航空航天局NASA使用全球最先进T1100碳纤维复合材料开展的一系列研究。除了NASA以外，本文介绍的是波音公司使用T1100/3960碳纤维复合材料开展的太空居住舱结构研究。 附：国外T1100碳纤维复合材料专题文章 《T1100复合材料冲击强度研究》（上篇）《T1100复合材料冲击强度研究》（下篇） 《温湿度对T1100预浸料性能影响》（上篇） 《温湿度对T1100预浸料性能影响》（下篇） 《IM7和T1100缠绕件抗损伤对比》(上篇） 《IM7和T1100缠绕件抗损伤对比》（中篇） 《IM7和T1100缠绕件抗损伤对比》（下篇） 2024年10月14日，第75届国际宇航大会（International Astronautical Congress， IAC）在意大利米兰举行，会上波音防务航天与安全公司分享了使用日本东丽公司T1100/3960碳纤维复合材料在深空居住舱模块主结构中的应用。 在该项研究中，波音公司研究了复合材料结构在深空居住舱中的应用。与金属模块相比，复合材料结构在减轻质量的同时提供了更高的强度和刚度，评估了全复合材料主结构的设计考虑因素和质量效益。 复合材料模块设计包括连续压力外壳、复合材料纵梁和环形框架。研究中选用的复合材料是日本东丽T1100高强度碳纤维和环氧狭缝带预浸料。制造涉及自动纤维放置和利用现有设施及高压釜工艺。分析显示，与金属结构件相比，复合材料主结构质量减少了33%，总体净减重近1900公斤。复合材料模块的质量效率得到了提高，为深空探测开辟了新的可能性。 与应用于航空航天领域的金属材料相比，复合材料结构在空间应用中已被证实可以在提高强度和刚度的同时减少重量。随着人类探索离地球越来越远，居住舱质量对任务效率变得越来越重要。传统上讲，居住舱的主结构是最重的子系统，因此任何百分比的质量减少都会对飞行器的整体质量和性能产生重大影响。 波音公司在航天领域用复合材料的设计、制造和飞行领域积累了较丰富的经验，并正在研究如何最好地将复合材料结构融入人类深空居住舱，同时保持载人航天所需的高水平安全。 在研究中，通过将全复合材料主结构设计纳入居住舱，并将其与金属基准材料进行了对比。两种材料均采用了相同的设计参考任务、基本准则、内部体积、飞行器直径、载荷、界面和边界条件等。 为了获得复合材料体系的全部优势，设计从金属材料进行了修改，以利用复合材料的强度，例如从圆顶到圆顶的连续结构叠层，而不是需要多个分段和焊接接头的金属配置。该项研究对复合材料主结构的其他子系统影响进行了评估和简要讨论。在模块级别，包括所有子系统，质量的大幅减少证明了复合材料栖息地的优势。 假设居住舱的主结构为全复合材料结构设计。该结构包括一个连续的压力壳。复合材料纵梁和复合材料环形框架集成在一起，以提高长模块圆柱体的屈曲强度并承受发射载荷。复合材料纵梁和框架共固化或二次粘合到复合材料模块的圆柱体上。纵梁和框架为安装次级夹和支架提供了硬结构，以支撑外部装备（如MM/OD屏蔽、隔热等）和内部装备（船员宿舍、卫生舱、内部设备等）。 其他提供次级结构支撑的方法包括使用复合垫作为结构硬点。通过模块两端的极性开口进入栖息地内部。检修口将局部加厚，并具有与对接机构的标准接口。根据需要，可以为径向对接端口提供类似的结构接口。 复合材料压力壳的一个主要问题是，如果IML上没有衬里作为泄漏屏障，则压力壳壁会泄漏。如果树脂在负载下过度应变，泄漏或渗透是由树脂中形成的微裂纹网络引起的，所以压力壳壁的尺寸被设计为使壁应变保持在导致树脂微裂纹的应变水平以下。此外，选择碳纤维和环氧树脂系统，以最大限度地降低渗透风险。下图1显示了复合材料模块的主结构设计。  图1 复合材料模块的主结构设计 复合材料居住舱模块的首次应用是针对火星过境栖息地（Mars Transit Habitat，MTH）进行的研究。该模块将配备一个单独的推进模块，可实现长期深空任务的自给自足。设计参考任务是一次为期1200天的往返火星之旅，有四名机组人员和所需的所有后勤和物资（假设没有补给）。 该模块的大部分用于物流存储。安全避难所和气闸舱提供了一个单独的加压空间，可用于应急太空行走，或提供一个与主要栖息地空间分开的安全避难所。后端裙板向下延伸，并通过有效载荷连接配件（PAF）与运载火箭连接。飞行器身安装的散热器和可展开的太阳能电池阵列安装在外部。该模块具有两个轴向和一个径向对接端口。  图2 火星过境栖息地配置 这种具有长圆柱形部分的结构的很大一部分是面积区域，或者没有明显几何形状变化或界面的位置。复合材料在大面积区域收获最大的好处，使其非常适合使用轻质复合材料。 在为深空居住舱选择最佳材料时，传统金属材料已成功用于类似应用，因此它提供了一种低风险的解决方案。但是，研究表明，通过使用复合结构可以显著节省质量。人们普遍认为，这种应用的复合材料结构认证将具有挑战性，主要是因为之前的可居住空间结构都是金属的。 然而，复合材料结构已被证明可以为波音787梦想客机商用飞机机身（也是一种加压复合材料结构）提供安全的可居住空间，Sierra Space等公司正在寻求将其全复合材料追梦者（Dream Chaser）用于近地轨道的人类太空飞行，从货物补给飞行器开始。 波音公司为当前深空居住舱研究选择的复合材料是东丽的T1100G/3960狭缝胶带预浸料。这是一种航空航天级碳纤维/环氧树脂预浸料，具有最高的强度，但断裂应变仍然很高，且兼具良好控制的材料制造工艺。NCAMP目前正在开发一个公开的材料性能和规格数据库。这种数据和规范的公开提供了如下好处，即信息可以与美国国家航空航天局NASA和行业合作伙伴共享，而无需复杂的保密和专有使用协议。 铺层过程通过采用自动纤维铺放（AFP）来控制，该方法使用带有狭缝带预浸料卷轴的机器人头将复合材料铺放在旋转工具上（见图3）。AFP是一种高效的叠层过程，可以最大限度地减少操作员失误的可能性，并且可以类似于787客机复合材料机身的建造方式来完成。  图3 复合材料栖息地制造 在下期文章中将针对复合材料居住舱的加工、复合材料分析以及复合材料与金属材质居住舱结构的对比等内容进一步介绍。 |
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