航天器结构材料的应用现状与未来展望

作者：王惠芬，杨碧琦，刘　刚

自１９５７年第一颗人造地球卫星发射以来，人类就从未停止对航天结构材料的研究与关注。近年来，卫星技术的迅速发展，一方面对结构材料提出了更高的要求，另一方面也促进了新材料的产生与发展。世界各大航天机构都设有专门的材料研究中心，持续开展航天器结构材料的开发。例如，美国ＮＡＳＡ的兰利研究中心和国内的航天材料及工艺研究所等都是负责研发和测试航空航天新型材料和结构的机构。ＮＡＳＡ在２０１２年发布的《空间技术发展路线图》中，依然将材料与结构列为最优先发展的十四大领域之一，并且在２０１５年对其进行了细化与完善。

由于航天器载荷的复杂性和服役环境的特殊性，材料的选用要求往往与常规机械产品有很大区别。作为结构材料，最基础的作用就是承受和传递载荷，因而所选材料必须强度高、模量大、韧性好。特别是随着载人航天与深空探测事业的发展，有效载荷逐渐增多，卫星平台越来越大，对材料此方面的性能提出了更高要求。我国的风云系列气象卫星在发展到第三代，也即第二代极轨气象卫星ＦＹ－３时，遥感探测器已达１２个之多，其平台也相应地要求具有更大的卫星承载能力。

在不降低材料性能的前提下，轻量化是工业界追求的永恒目标，它的实现不仅有利于削减成本，而且有助于减少环境污染。以汽车为例，其质量每减轻１０％，就会节省６％～８％的燃料。这对发射成本异常昂贵的卫星而言更加适用，据统计，进入空间轨道的航天运载器质量每减轻１ｋｇ，其发射费用将节省约２万美元，因此必须采用密度尽量低的材料。结合高强度和大刚度的性能要求，需要采用比模量（弹性模量与密度之比）高和比强度（强度与密度之比）大的材料。其中，高比模量的材料还非常有利于提高结构的自然频率和稳定性，防止在发射时引起过大的动态响应载荷，保证卫星姿态控制系统的正常运行及提高卫星薄壁结构在发射压缩载荷下的稳定性。

另外，由于卫星长期在太空服役且在轨寿命延长，因而所选材料还必须具有良好的空间环境稳定性。对于结构材料，尤其是暴露在空间的外部材料，要求在真空、高低温交变、紫外辐照、电子辐照、原子氧等
条件下不发生大幅的成分、结构与质量变化，从而能够保证所需的力学性能和物理性能。

１航天器结构材料的性能特点与应用现状
目前，航天器用结构材料主要有金属材料与复合材料两大类。金属材料具有成熟的使用性能和加工制造基础，一直以来都是卫星结构材料的首选；复合材料作为新兴材料，因其具备密度低、可设计性强等突出优势也备受航天器结构工作者的青睐，并有逐渐代替金属作为卫星主结构材料的趋势。

１.１金属材料
金属材料具有可焊接的特点，常用于卫星密封壳体结构中，在接头、支架等承力结构件上也有广泛应用。金属材料中，合金钢是工业界使用最广泛的结构材料，但是在航空航天领域除了少部分结构采用合金钢以外，主要都采用更加轻质的铝合金、钛合金、镁合金等。如表１所示，在比模量相当的情况下，轻质合金的密度低很多。

在轻质合金中，铝合金价格相对便宜，导热性、导电性良好且抗腐蚀性能好，是目前卫星上应用最广泛的轻金属材料。部分铝合金还具有良好的低温性能，随着温度的下降，其强度和塑性都有所增加。在经典的航天飞机时代，乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼均由铝合金制造。在美国，研究和应用较多的主要有７０７５、７４７５和７０５５等７系铝合金。这些成分的铝合金不仅具有高强度，而且具有高韧性，一直是各国航天材料研究人员追求的目标。受限于材料制备技术的发展，高强铝合金在我国的应用较少，但是要实现航天器的轻量化设计，这始终是一个值得研究的方向。

目前应用在航天器上的铝合金主要有铝合金厚板、铝蜂窝板和铝－锂合金等。其中，铝合金厚板具有高强度、良好的韧性、抗应力性能和抗剥落腐蚀性能，而且其断裂韧性较好，抗疲劳裂纹扩展能力强，作为航天航空用材料具有很好的综合性能。另外，铝蜂窝夹芯板结构以其比强度高、比刚度高、隔热隔振性能好、可设计性强等特点，被广泛应用于航空航天领域，已成为现代卫星主要的承力结构。２０世纪８０年代发展起来的铝－锂合金由于锂的添加可以降低合金的密度，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性，被认为是２１世纪航空航天领域最理想的结构材料。上述三类铝合金因在航空航天领域的优异表现，都将是我国在铝合金方面研究努力的方向与重点。

钛合金相比于其他轻金属材料的优势在于比强度最高、耐腐蚀性最好（甚至远优于不锈钢），并且高低温力学性能很好，能在５５０℃高温和零下２５０℃低温下长期工作而保持性能不变（铝合金最高仅能在２００～３００℃工作）。钛合金线膨胀系数小，可以用作要求尺寸不随温度变化的构件。第一代航天飞机的热防护系统部分采用了钛合金Ｔｉ１１００作为防热瓦。英国空天飞机ＨＯＴＯＬ的机身材料也部分采用了钛合金。国内新型通信卫星的承力筒锥段由于采用高强钛合金制成大口径双波纹壳结构，其质量减轻了约５０％，抗载能力提高了８０％。

鉴于钛合金高昂的价格，其一般只用于承载力大的关键部位或者同时对结构性能与热学性能有较高要求的场合。

但是钛合金由于具有优异的力学、热学和化学性能，不仅在结构系统，在其他如控制系统中也表现出巨大的潜力。并且钛资源丰富，蕴藏量仅次于铁、铝。目前的难点就在于从原始资源到市场之间的转化存在较大的阻力，技术与经济都是重要的问题。

镁合金是表１所列合金中密度最低的材料，并且减振能力好，易切削加工和可回收，被誉为“二十一世纪绿色金属工程结构材料”。目前，欧美及日本等工业发达国家高度重视镁合金的研究和开发，并己将镁合金应用到航空航天、汽车、军事与３Ｃ产业等领域。卫星用镁合金多为铸造镁合金，强度相对较低，一般用于制作常温和低温下承受低载荷的结构件。国内研究镁合金的单位很多，但是在航天器上的应用还并不是很广泛，局限在于镁合金耐腐蚀性能不强，且长时间工作温度不能超过１５０℃。


１.２复合材料
航天器结构用复合材料主要是纤维增强型的复合材料，基体一般为热固性环氧树脂。按照纤维的种类不同可分为碳纤维增强型（常见牌号有Ｍ６０、Ｍ５５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）、凯夫拉纤维增强型、玻璃纤维增强型和硼纤维增强型等。对比表１、表２，可见复合材料的比模量和比强度都远高于上述轻合金。

复合材料中，碳纤维／环氧复合材料（ＣＦＲＰ）密度低（与镁和铍相当）、强度高（达铝合金的３倍多）、模量大，轻质高强性能尤为显着，是所有航空航天领域最受欢迎的复合材料。由于ＣＦＲＰ具有各向异性，所以它具有很强的可设计性，能为不同服役条件提供最优的材料选择。同时，复合材料易于大面积整体成型的特性也为简化航天器生产工序、缩短生产周期提供了重要保障。国内外航天器上复合材料的使用已经占到较大比例。目前，碳纤维增强复合材料在卫星上的应用主要体现在卫星本体结构、太阳电池阵和天线结构等方面。由于其具有较高的比强度、较大的比刚度和良好的抗疲劳等性能特征，非常适合应用于卫星外壳、中心承力筒和各种仪器安装结构板等部位。又因为ＣＦＲＰ具有线膨胀系数小的特点，所以大型电池阵经常采用该材料。卫星上安装的大型抛物面天线等强方向天线要求在温度急剧变化的空间环境中仍能保持稳定的外形，所以碳纤维增强复合材料也比较适用。

但是复合材料也存在一些固有的缺陷，例如吸湿性，ＣＦＲＰ在大气中存储和使用时，水分与温度的作用会使其力学性能明显下降。树脂基体吸湿后会引起体积膨胀，不仅会产生湿热变形与应力，同时还会降低材料本身的刚度和强度。另外，ＣＦＲＰ加工精度的稳定性也有待提高。针对这些问题，研究发展高模量、高强度以及高导热率的纤维，进一步改善树脂基体的耐高低温性能，同时大力发展复合材料的自动化制造装备将是有效的解决办法。

２航天器结构材料展望
随着航天工业的迅速发展，航天器结构材料也将处于长期持续的发展之中。新型轻合金在航天器结构中使用的比例逐步增加，复合材料的应用更是促进了航天器结构用材的变革，并且正处于迅猛发展之中。结合了金属与无机／有机材料优异性能的金属基复合材料也已进入航天结构研究人员的视野。除此之外，结构材料与结构设计密不可分，一些传统的复杂结构正在被全新的多功能结构（ＭＦＣ）和３Ｄ打印结构所取代。未来，航天器的结构材料将呈现多样化、高性能的趋势。

２.１传统轻合金仍占主导地位，新型轻合金将逐步应用为了适应现代卫星高性能、轻结构的要求，合金材料有逐步被复合材料代替的趋势。特别是当复合材料在汽车与航空领域已经大显身手时，其在对材料轻质化要求更高的航天领域也开始跃跃欲试。然而随着研究的深入，发现目前常用的树脂基复合材料存在一些固有的缺陷，如韧性差、二次加工性能差、耐热耐湿性差、空间环境适应性差等，短时间内很难在航天器上大面积应用，这为合金材料在航天领域的应用及发展提供了空间和机遇。

近年的研究表明，通过在铝合金和镁合金中添加锂，形成铝锂合金与镁锂合金（图１），可以获得密度更低且其他性能基本不降低的合金材料。美国曾将它们用于航天飞行器上，制作常温和低温下承受低载荷的结构件。上海卫星装备所作为卫星制造与总装单位，在“十二五”期间对西安交通大学研制开发出的镁锂合金开展了系统论证和应用研究，取得较好的成果，目前已经在部分型号的次承力构件推广应用。

图１　镁锂合金构件

随着制备技术与工艺的日渐成熟，尤其是近年来镁合金表面处理技术水平的提升，该合金耐腐蚀性能提高，使其将在卫星结构中有更多的应用。

钛镍合金由于具有形状记忆功能也引起了航天领域的重视。在温度低于材料的马氏体逆转变的开始温度时，构件可在一定外力下任意变形（其极限应变可达６％～８％）。然后，当加热到马氏体逆转变终了温度时，由于热弹性马氏体相变原理，构件可自动恢复到原有的形状。目前，钛镍合金已经在卫星管路接头、热敏元件等方面有应用性研究，并且研究表明形状记忆合金的应用将代替原火工品的使用，能够为安全可靠地释放卫星上的机构提供更好的保障。因此，记忆合金是一种具有很大发展潜力的航天器金属材料。

另外，继钢铁、塑料之后第三次材料工业革命的新材料金属玻璃（即非晶态合金）也在卫星上有应用。金属玻璃因其内部原子排列无序，存在自由体积，相比于同等成分的金属合金往往具有更低的密度和更高的强度。近年来，燕山大学成功制备出用于卫星太阳能电池伸展机构、关键齿轮等的非晶合金构件，有望在未来的卫星结构上得以应用。

２.２复合材料发展势头良好，应用范围将继续增大复合材料发展时间较短，但其迅猛的发展趋势也足以令人相信它有着巨大的应用前景。一直以来，复合材料在航空领域的应用都领先于航天。其在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料。世界上大型飞机如波音７８７、空客３８０ 等机型的结构件复合材料的用量占到了４０％～５０％，先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了８０％以上。波音和空客公开的研究资料表明，到２０２０年它们的飞机结构件将全部采用复合材料。由此类推，复合材料在航天领域将有着巨大的发展空间和前景。这一点从卫星桁架上此前广泛应用的铝合金桁架接头正由碳纤维复合材料接头全部取代也可证明。图２为典型的碳纤维复合材料接头。截至目前，碳纤维高性能复合材料依然是复合材料研究与应用的重点。为了缩小与国际先进水平的差距，我国现在非常注重复合材料的预先研究。随着低成本一体化制造技术的发展，自动化、大型化、高精度制造装备日趋成熟，以及基体树脂和碳纤维性能的不断提高，碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性及断裂延伸率得到显著改善，复合材料在航天器结构上的用量必将进一步增大。


除此之外，针对树脂基复合材料固有的湿热效应缺陷和导热散热不足等问题，也有人提出用金属基体材料来弥补现有基体的不足，经试验，可以极大地提高复合材料的性能，例如可将材料的使用温度从１６０℃提高到４００℃以上，能承受更严酷的空间综合辐照、高低温交变环境条件，获得极低的真空出气率、良好的耐湿性能和密封性能等。２０１７年发射的最新气象卫星风云四号的某关键载荷便使用了Ａｌ／ＳｉＣ复合材料构件（图３），实现了空间温度范围内的尺寸高稳定与性能高可靠。可以预见，未来对金属基复合材料的需求将进一步增加。

２.３结构材料与功能材料的一体化是最新发展趋势高性能、轻量化是航天器材料设计追寻的永恒目标。除了使用更轻的材料，减少材料的使用才是更有效的减重途径。基于此，洛克希德·马丁公司发明了多功能结构，多功能结构就是结构在进行设计时，明确执行不少于两种功能的结构，既可以同时执行也可以依次执行，这类结构通常为复合材料结构，包括嵌入多功能器件的新型结构复合材料和本身含有多功能的结构材料，涉及聚合物、金属、陶瓷等。随着封装技术的提高，越来越多的功能性材料将为结构所用。

ＮＡＳＡ在２０１２年发布的《空间技术发展路线图》中的“材料、结构、机械系统和制造”领域就曾强调结构轻量化设计以及多功能结构材料应用的重要性和研究的必要性。多功能结构材料可利用先进的计算设计和制造技术，实现之前难以获得的综合性能和功能。这些系统可以提高力学性能，增强对环境性能和损伤的感应能力，以及修复损伤的能力和持续性能。

国内这方面的研究也在不断深入，航天材料及工艺研究所带头完成的“多功能结构复合材料集成技术”项目设计了具有多项功能的复合材料，实现了多项功能技术的高效集成，使结构减重达到３５％，已在多个型号产品上有所应用。

可以想像，未来的航天器主结构还是由合金或更多的复合材料构成，其他部分的结构将不仅仅具有承受和传递力的能力，而且同时具有其他功能。随着轻质材料和新型结构的应用，航天器将变得更小、更轻，而功能却更加丰富。

２.４增材制造将改变航天器结构材料形式增材制造技术的优势之一是可以实现结构复杂但力学性能优异的结构的制造，代替传统结构设计和工艺，从而优化结构。这一技术非常适用于卫星单件／小批量结构产品的生产，将对卫星结构设计、制造、装配工艺产生革命性的影响。例如，上海卫星装备所前期基于选择性激光融化（ＳＬＭ）成形技术，采用轻质仿生点阵结构对卫星某下端框进行了轻量一体化设计，并采用铝合金成型出轻量化设计的下端框样件，实现结构减重２４。５８％及承载条件下应力分布更均匀，如图４所示。针对卫星多通道接头采用点阵结构等高效承力结构进行轻量化设计优化，并采用铝合金成型轻量化多通道接头，在满足设计强度、刚度要求的前提下，最大化地实现结构减重３２％，如图５所示。

３结语
随着大型复杂高精度航天器的迅速发展和深空探测器开发进程的加快，航天器对于轻质高强结构材料的需求异常迫切。由于长期在太空服役，所选材料还必须具有良好的空间环境稳定性。铝合金具有较好的综合性能，一直以来都是卫星结构材料的首选；复合材料作为新兴材料，因其具备密度低、可设计性强等突出优势也备受航天器结构工作者的青睐。

纵观当前卫星主体结构和相关预研项目的开展，轻合金尤其是铝合金在一定时期内仍将占主导地位，新型轻合金如镁锂合金将逐步应用；复合材料发展势头良好，应用范围将继续增大，特别是Ａｌ／ＳｉＣ等金属复合材料表现出良好的空间稳定性与可靠性；结构材料与功能材料的一体化将是最新发展趋势。另外，纳米复合材料、增材制造结构材料一体化等新兴材料技术也开始在结构领域崭露头角，必将对航天器结构材料及其形式发展产生重大影响。

作者：王惠芬，杨碧琦，刘　刚，来源：上海卫星装备研究所、新材料智库