神舟系列飞船中的高端复合材料

1. 碳纤维复合材料材质主承力截锥

(资料图片)

神舟飞船是我国自行研制，具有完全自主知识产权，达到或优于国际第三代载人飞船技术的飞船。神舟载人飞船用的大尺寸、多开口推进分系统主承力薄壁加筋截锥，是我国载人航天史上首次使用的大型碳纤维复合材料制品，也是我国自主研制的大型复合材料结构件。

承力截锥是飞船推进分系统主承力构件之一，中国建材集团所属哈玻院从1995年开始承担飞船推进分系统碳纤维复合材料承力截锥及气瓶安装支架的研制任务，产品为大尺寸、大开口、薄壁（最薄处1.2mm）截锥结构，具有重量轻、强度高、精度高、承载能力大等特点。哈玻院研制的高性能碳纤维复合材料结构，始终伴随着神舟载人飞船的每一次成功发射。

2.返回舱热防护材料

在穿越大气层过程中，神舟飞船返回舱和大气层摩擦会产生两千多度的高温，足以融化地球上大部分的物质，因此神舟飞船返回舱必须准备热防护材料，在返回过程中，需要通过燃烧这种防热材料来带走热量，从而保证航天员的安全。

中国建材集团所属南玻院研发的高强纱分别应用于长征二号F遥十六运载火箭防热结构件和神舟十六号载人飞船返回舱的隔热层，为火箭发射、飞船和天和核心舱对接、航天员安全返回提供了可靠的保障；而哈玻院研制的神舟十六号载人飞船关键部位用防/隔热一体中密度预混料、长征二号F遥十六运载火箭发动机喷管防热挡板、长征二号F遥十六运载火箭逃逸塔用高性能耐烧蚀树脂。

国外飞船中的高端复合材料

3.猎户座多用途载人飞船

Orion猎户座由洛克希德马丁公司制造的指挥舱和欧洲航天局提供、空中客车国防与航天公司制造的服务舱组成，是阿尔忒弥斯计划的核心，将把宇航员送上太空，在太空旅行并将宇航员送回地球。2022年11月，美国航天局NASA新一代登月火箭“太空发射系统(SLS)”携带“阿尔忒弥斯一号”无人绕月飞行任务的猎户座载人飞船，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空。

阿尔忒弥斯一号的主要目标是在月球返回再入条件下演示猎户座航天器的隔热罩，演示未来任务的操作，并回收航天器。外壳由后壳和隔热罩组成，是外部环境和飞行器内部有效载荷之间的主要屏障。这是猎户座必须保护自己不受微流星体、辐射和极端天气影响的第一道防线。猎户座飞船大约是阿波罗飞船的1.5倍，重2万磅（9071千克）。

为了让它比之前的飞船飞得更远、更快、承受更多的极限，合作的工程师团队采用了阿波罗传统的钛制钝形机身的传统设计，并利用新的复合材料系统在最后期限内优化了结构的重量和强度容限。与时间赛跑，东丽先进复合材料公司的碳纤维/氰酸酯预浸料TC420是专门配制的，以取代传统的重型和昂贵的钛板蒙皮，而不是钛蜂窝设计，用于猎户座飞船的后壳和隔热结构。TC420的理想之处在于，它通过允许隔热板结构与热保护系统并行，证明了从设计版本到可加工性改进的关键升级。

猎户座的隔热板在科罗拉多州丹佛市进行评估

洛克希德·马丁公司在科罗拉多州丹佛市用高压釜生产了直径16.5英尺（5米）的最大型复合材料隔热板，用于载人和无人驾驶任务。新一代复合材料系列的设计旨在通过改进的复合材料加工技术合理利用项目有限的资源，将加工时间缩短25%，降低成本，同时不牺牲所需的超高温性能。

猎户座的碳纤维隔热罩用高压釜工艺制造

4.火星探测无人飞船

NASA的无人火星探测任务将在这颗红色星球上建立一个新的机器人探测器和一架机器人探索直升机。一个胶囊状的气动外壳将在火星进入大气层和着陆时保护火星2020探测器。外壳由铝蜂窝和碳纤维蒙皮制成，隔热罩采用瓷砖酚醛浸渍碳烧蚀（PICA）热保护系统。

这种飞机外壳的设计目的是在火星探测器进入大气层和着陆时保护它

火星探测器本身长3米，宽2.7米，高2.2米。虽然NASA未公布建造火星车所用材料的细节，但据了解主要是使用复合材料建造火星探测器。在2314磅（1050公斤）的重量，流动站将低于平均小型车。它需要既轻又耐用，才能前往这颗红色星球，还需要足够坚固，能够携带相机和科学仪器，以及火星直升机——这是另一种复合材料密集型飞行器，将用于探索这颗星球。火星直升机由1500多块碳纤维、飞行级铝、硅、铜、箔和泡沫组成，重量不超过1.8公斤。

火星直升机制造过程中使用了1500多块碳纤维结构件

5.其他飞船结构

由欧洲航天局（ESA）和美国宇航局（NASA）合作开发的太阳轨道飞行器由一个碳纤维复合材料/钛层太阳屏蔽层保护，该屏蔽层带有用于各种仪器的开口。324磅的隔热板可以承受高达521摄氏度的温度，并使用0.05毫米厚的一层钛箔来反射热量。防护罩由2.94×2.56米的支撑板支撑，支撑板厚度约5厘米，由轻质铝蜂窝和两层高导热碳纤维蒙皮制成，进一步的保护是由多层绝缘材料提供的，能够承受300摄氏度。

碳纤维复合材料/钛层太阳屏蔽层保护太阳轨道飞行器免受太阳热量的影响

从上述国内外载人/无人航天飞船结构材料的介绍中，可以看到碳纤维复合材料在飞船结构中发挥着重要的作用，概括起来分为结构性应用（高强度、高刚度蒙皮结构）和功能性应用（耐高温的热防护结构）两大类。当然碳纤维在飞船中应用也不限于上述描述应用场景如火箭壳体，而碳纤维复合材料还可用于燃料储存和固体火箭发动机的压力容器。