天宮一號廣泛使用碳纖維 儀器玻璃可耐千度高溫

   天宮一號成功問天，人們好奇的是，這個能夠耐受幾千度高溫、兩年內(nèi)將在太空與“神舟”進(jìn)行三次對接的結(jié)實軀體，究竟是什么特殊材料煉成的？

　　科技日報記者聯(lián)系承擔(dān)部分材料研制任務(wù)的中國建筑材料科學(xué)研究總院相關(guān)專家，解析其中的奧妙。

　　天宮一號此行最重要的任務(wù)就是空間交會對接，這是舉世公認(rèn)的航天技術(shù)瓶頸，也是它要面臨的最大的技術(shù)考驗。對接任務(wù)的完成離不開其姿態(tài)控制系統(tǒng)，而姿控系統(tǒng)必須使用關(guān)鍵的光學(xué)材料，既能夠濾紫外線，又耐宇宙線輻射、耐近千度的高溫，還要有很強(qiáng)的抗沖擊能力。據(jù)介紹，國內(nèi)目前唯一能滿足此類要求的，只有中國建筑材料科學(xué)研究總院提供的耐輻照石英玻璃。

　　普通玻璃乃至普通石英玻璃在高強(qiáng)度的宇宙射線輻照下都會變黑不透光，從而造成姿控定位的失誤。在技術(shù)完全空白的情況下，1987年，顧真安院士和他的科研團(tuán)隊開始啃耐輻照石英玻璃這個硬骨頭，通過幾年的研究和反復(fù)試驗，解決了在高純石英玻璃內(nèi)部進(jìn)行摻雜的技術(shù)問題，攻克了高溫熔融不均體、耐宇宙射線輻照等多個技術(shù)難關(guān)。1995年，“耐輻照石英玻璃”首次應(yīng)用于衛(wèi)星并取得了良好效果。此次用于天宮一號的玻璃，在后期熱處理等工序上做了新的改進(jìn)，大大提高了產(chǎn)品的成品率。

　　如果把天宮一號比作鳥兒，那么飛行器要像鳥兒那樣輕松地飛遍千山萬水并在空中變換各種飛翔姿勢，就得靠資源艙了。資源艙推進(jìn)分系統(tǒng)先進(jìn)復(fù)合材料承力錐臺是天宮一號的重要結(jié)構(gòu)件。天宮一號空間實驗室資源艙包括發(fā)動機(jī)和電源裝置等，用于提供軌道與姿態(tài)控制、電力能源供應(yīng)、熱控環(huán)控，為軌道機(jī)動提供動力，為飛行提供能源。但是資源艙推進(jìn)分系統(tǒng)主承力結(jié)構(gòu)件外形尺寸大，可分配的結(jié)構(gòu)空間和結(jié)構(gòu)重量小，載荷條件苛刻，設(shè)計和制造的技術(shù)難度較大。

　　中國建材集團(tuán)哈爾濱玻璃鋼研究院使用碳纖維復(fù)合材料承力錐臺結(jié)構(gòu)方案，創(chuàng)造性地用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料十字梁組合結(jié)構(gòu)作為主承力結(jié)構(gòu)件，該設(shè)計方案優(yōu)于金屬面板方案，解決了推進(jìn)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間小、有效載荷難以布局的難題。在產(chǎn)品設(shè)計、研制過程中，科研人員破解了大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元設(shè)計方法及其在復(fù)雜載荷作用下的承載能力、主承力蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法等問題，攻克了產(chǎn)品模具設(shè)計技術(shù)、十字梁整體成型工藝、主承力高精度要求的蜂窩板成型工藝、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配工藝等一系列關(guān)鍵技術(shù)，滿足了天宮一號承力錐臺工藝制造需求。

　　碳纖維復(fù)合材料在天宮一號上的使用幾乎隨處可見。為滿足空間光學(xué)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，作為重要承力結(jié)構(gòu)件的相機(jī)支架，設(shè)計要求五“高”：尺寸精度及形位精度要求高；線膨脹系數(shù)要求高；結(jié)構(gòu)彈性模量要求高，變形要微米數(shù)量級；產(chǎn)品基頻高，達(dá)100Hz以上；重量指標(biāo)要求高，研制的技術(shù)難度較大。

　　2006年，哈爾濱玻璃鋼研究院承擔(dān)了天宮一號碳纖維復(fù)合材料相機(jī)支架組件的研制任務(wù)。利用大型仿真分析軟件建立了參數(shù)化計算模型，對復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，成功解決了三大技術(shù)難題：不規(guī)則、不等厚、不等寬、大截面加筋結(jié)構(gòu)的工藝成型技術(shù)，復(fù)合材料加筋夾層結(jié)構(gòu)的成型技術(shù)以及高精度雙層加筋結(jié)構(gòu)的精度控制。

　　同樣，應(yīng)用系統(tǒng)空間光學(xué)相機(jī)結(jié)構(gòu)傳動軸的安裝支座也是主要由碳纖維復(fù)合材料制成，由碳纖維主軸、副軸軸蓋、底座以及鈦合金軸套等零部件組成。因為它對尺寸的穩(wěn)定性要求更高，主體結(jié)構(gòu)則由高模量、低膨脹系數(shù)的碳纖維制造。