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天宮一號(hào)廣泛使用碳纖維 儀器玻璃可耐千度高溫

來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)網(wǎng)絡(luò)版    發(fā)布時(shí)間:2011-09-30 15:20:11    編輯:管理員    瀏覽:1691

   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。

行業(yè)動(dòng)態(tài)

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