碳/环氧复合材料在航天有效载荷支撑结构中的应

  航天有效载荷支撑结构对材料性能的要求航天有效载荷支撑结构为载荷的承力结构,几乎承受了有效载荷的全部质量,影响载荷整体的力学性能。受到航天有效载荷所处特殊空间环境和发射成本等因素的影响,航天有效载荷支撑结构对所用材料提出了严格的要求。

  为了降低发射成本,确保航天器进入规定的空间轨道,在飞行器质量一定的情况下,对有效载荷有严格的质量限制。单从质量角度考虑,要尽量采用密度低的材料。为了提高结构和机构的刚度和强度,满足有效载荷在发射、运输和在轨工作期间正常运行的需求,须采用高模量和高强度的材料。高比模量和高比强度特性是空间有效载荷结构材料满足轻量化要求的重要特征。

  由于有效载荷有可能暴露在温差大、高辐照的真空环境中,对材料的物理性能有严格的要求。要求材料具有小线膨胀系数抗辐射以及良好的尺寸稳定性。此外,为了防止污染,对材料的真空出气和可凝挥发物也有限制要求。

  随着我国航天事业的发展,空间结构对工程材料的性能要求也越来越高。以碳/环氧复合材料为代表的先进复合材料正逐渐被研究并应用于空间结构的设计中,已实现了以小卫星为平台的遥感器设计的小型化、轻型化、低功耗的目标。

  碳/环氧复合材料的密度只有铝合金的3/5,钛合金的1/3,钢的1/5,在综合性能上与铝合金相当,但比刚度、比强度均高于铝合金,特别是它具有很高的比模量值,很符合航天有效载荷支撑结构材料的需求。

  在满足强度和刚度要求的情况下,采用碳纤维环氧复合材料可比铝合金结构减重30%以上;与钛合金相比,结构质量轻、热膨胀系数小;与钢材料相比,质量可以减轻50%以上。

  对于航天有效载荷支撑结构材料选择,强度条件是很容易满足的,关键是刚度是否满足要求。碳/环氧复合材料以其优越的高比刚度、高比强度、高尺寸稳定性等优点越来越多地被航天有效载荷结构所采用。