天宮一號(hào)廣泛使用碳纖維 儀器玻璃可耐千度高溫

   天宮一號(hào)成功問(wèn)天，人們好奇的是，這個(gè)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(duì)接的結(jié)實(shí)軀體，究竟是什么特殊材料煉成的？

　　科技日?qǐng)?bào)記者聯(lián)系承擔(dān)部分材料研制任務(wù)的中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院相關(guān)專(zhuān)家，解析其中的奧妙。

　　天宮一號(hào)此行最重要的任務(wù)就是空間交會(huì)對(duì)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(yàn)。對(duì)接任務(wù)的完成離不開(kāi)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?yàn)V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(guó)內(nèi)目前唯一能滿足此類(lèi)要求的，只有中國(guó)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(huì)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(duì)開(kāi)始啃耐輻照石英玻璃這個(gè)硬骨頭，通過(guò)幾年的研究和反復(fù)試驗(yàn)，解決了在高純石英玻璃內(nèi)部進(jìn)行摻雜的技術(shù)問(wèn)題，攻克了高溫熔融不均體、耐宇宙射線輻照等多個(gè)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(hào)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(hào)比作鳥(niǎo)兒，那么飛行器要像鳥(niǎo)兒那樣輕松地飛遍千山萬(wàn)水并在空中變換各種飛翔姿勢(shì)，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(tái)是天宮一號(hào)的重要結(jié)構(gòu)件。天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室資源艙包括發(fā)動(dòng)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(dòng)提供動(dòng)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(jì)和制造的技術(shù)難度較大。

　　中國(guó)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(tái)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(jì)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(jì)、研制過(guò)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(jì)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(jì)計(jì)算方法等問(wèn)題，攻克了產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)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(hào)承力錐臺(tái)工藝制造需求。

　　碳纖維復(fù)合材料在天宮一號(hào)上的使用幾乎隨處可見(jiàn)。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(jì)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(jí)；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(hào)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(jì)算模型，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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?yuàn)A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(dòng)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?yàn)樗鼘?duì)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。