雷紅帥 趙則昂 郭曉崗 陶 然 李 營 黃懌行 趙 天 方岱寧

（北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京 100081）

0 引言

隨著我國深空探測、載人登月等重大戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，新一代航天器裝備對(duì)結(jié)構(gòu)平臺(tái)提出了更為嚴(yán)苛的輕量化要求，如何實(shí)現(xiàn)裝備結(jié)構(gòu)平臺(tái)的輕量化設(shè)計(jì)與高性能制造是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界長期關(guān)注的焦點(diǎn)問題［1?4］。近年來，先進(jìn)材料與先進(jìn)制造技術(shù)不斷發(fā)展和完善，極大拓展了裝備結(jié)構(gòu)的選材和宏微觀構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間，材料—結(jié)構(gòu)—功能一體化特征愈加顯著［5?7］。以三維點(diǎn)陣等為代表的超輕多孔結(jié)構(gòu)材料，以及智能材料、功能結(jié)構(gòu)材料和高性能復(fù)合材料，為航天器裝備輕量化多功能一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)保障。有別于傳統(tǒng)連續(xù)固體材料或結(jié)構(gòu)，新型輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍存在諸多需要關(guān)注的問題，主要包括：高承載微元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，多功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法與耦合機(jī)理，以及空間智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等。

本文圍繞航天器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)進(jìn)行概述，著重介紹輕量化高承載三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、空間環(huán)境熱變形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、輕量化智能折展結(jié)構(gòu)、星箭分離解鎖結(jié)構(gòu)、電磁隱身結(jié)構(gòu)以及熱塑性復(fù)合材料新型連接技術(shù)等方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 航天器輕量化多功能結(jié)構(gòu)

1.1 輕量化高承載三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)型源于生物材料獨(dú)特的細(xì)微觀幾何特征，具有優(yōu)異的力學(xué)特性和獨(dú)特的多功能復(fù)合特性［3］。其中，三維點(diǎn)陣作為典型的輕質(zhì)周期性結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)無序多孔材料（泡沫）、二維周期結(jié)構(gòu)（蜂窩）和傳統(tǒng)致密材料相比，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的載荷傳遞路徑精準(zhǔn)、力學(xué)性能可調(diào)控范圍廣、可設(shè)計(jì)參數(shù)多［4，8］，在航空航天裝備輕量化多功能結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)（圖1）。其典型應(yīng)用場景包括：輕質(zhì)高承載防隔熱結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)高承載吸能結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)高承載減隔振結(jié)構(gòu)等。三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)性能，高度依賴于結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)微觀胞元的幾何構(gòu)造、分布特征和變形模式。如何設(shè)計(jì)出具有高承載特性的三維點(diǎn)陣幾何構(gòu)型，建立其宏觀力學(xué)性能參數(shù)預(yù)測模型，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。

圖1 三維點(diǎn)陣及其多功能一體化結(jié)構(gòu)［8］Fig.1 Lattice meta?materials and multifunctional integrated structures［8］

三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)誕生至今已有近20年研究歷程，早期由于傳統(tǒng)制造工藝的限制，點(diǎn)陣構(gòu)型主要集中于單一尺度的規(guī)則微桁架結(jié)構(gòu)。研究者們借鑒結(jié)構(gòu)力學(xué)的靜定/靜不定判定方法，將三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分為拉伸主導(dǎo)型和彎曲主導(dǎo)型兩類，彎曲主導(dǎo)型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在變形吸能方面具有優(yōu)勢(shì)，拉伸主導(dǎo)型在強(qiáng)度和承載能力方面比較突出［9］。類似于傳統(tǒng)的多孔材料，三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的宏觀等效模量和屈服強(qiáng)度，與其母體材料的力學(xué)性能和相對(duì)密度有關(guān)［9］：

式中，E、ρ和σy分別為結(jié)構(gòu)的宏觀模量、相對(duì)密度和屈服強(qiáng)度；下標(biāo)s代表母體材料相對(duì)應(yīng)的參數(shù)；n為相關(guān)性系數(shù)（常數(shù)），對(duì)于不同點(diǎn)陣構(gòu)型或母體材料，取值存在一定差別。DESHPANDE和FLECK［10］通過典型點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)中桿件的受力分析，確定了四面體和金字塔點(diǎn)陣的宏觀等效彈性常數(shù)；BABAEE等人［11］基于經(jīng)典梁理論，預(yù)測了不同方向加載時(shí)菱形十二面體胞元點(diǎn)陣的力學(xué)性能；DESHPANDE等人［12］系統(tǒng)地研究了點(diǎn)陣桿件的屈服和屈曲特征，繪制了八角點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)的空間塑性屈服面。北京理工大學(xué)方岱寧教授、西安交通大學(xué)盧天健教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳林志教授等國內(nèi)學(xué)者團(tuán)隊(duì)，在金屬和復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、變形模式、失效機(jī)理等方面開展了大量的研究工作。LEI等人［13?14］提出了基于節(jié)點(diǎn)平均連通度的胞元變形模式判定新準(zhǔn)則，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Maxwell模型變形模式界定模糊的不足。

近年來，隨著增材制造技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化方法的不斷發(fā)展，三維點(diǎn)陣胞元趨向于細(xì)微觀尺度且構(gòu)型更為多樣，宏觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部不再局限于單一尺度、單一胞元類型和單一分布形式［15］?；趹?yīng)力分布特征和變形模式調(diào)控等思路，三維點(diǎn)陣演化出曲面殼（Shell）和板（Plate）等新的胞元幾何構(gòu)型。BERGER等人［16］、TANCOGNE?DEJEAN 等人［17］和MOHR 等人［18］，基于塊體材料主應(yīng)力分布狀態(tài)，結(jié)合拓?fù)渌枷胩岢隽税迨饺S點(diǎn)陣胞元構(gòu)造方法。研究結(jié)果表明由于母體材料在胞元主應(yīng)力面密集分布，彎曲變形模式被顯著抑制，宏觀等效楊氏模量和體積模量可趨近于Hashin?Shtrikman 上限，低密度狀態(tài)下具有優(yōu)異的比吸能特性，如圖2所示。但該類型胞元的空間排布表現(xiàn)為閉孔狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的制造適用性差，因此，微桁架式點(diǎn)陣胞元目前仍是工程領(lǐng)域輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造普遍采用的胞元結(jié)構(gòu)形式。

圖2 各類三維點(diǎn)陣胞元宏觀等效力學(xué)性能對(duì)比［16］Fig.2 Comparison of macroscopic equivalent mechanical performances of various lattice cells［16］

近期，胞元混雜增強(qiáng)方法被嘗試應(yīng)用于三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)。PHAM 等人［19］提出了微尺度三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)位錯(cuò)滑移調(diào)控方法，通過局部引入類晶體混雜胞元構(gòu)筑非連續(xù)晶界，改變空間結(jié)構(gòu)的宏微觀變形模式、應(yīng)力分布狀態(tài)和裂紋演化路徑，實(shí)現(xiàn)了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)高韌化；XU 等人［20］研究了混雜無序三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的變形和斷裂失效行為，定性指出結(jié)構(gòu)內(nèi)部無序度的增加將導(dǎo)致強(qiáng)度、剛度和韌性顯著降低。LEI 等人［14］提出了基于失效模式調(diào)控機(jī)制的多層級(jí)三維點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能增強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，發(fā)展了層級(jí)梯度和剪切帶胞元混雜分布兩種強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)新策略。

增材制造熱熔燒結(jié)特征導(dǎo)致三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)出較強(qiáng)的工藝過程相關(guān)性（取向相關(guān)、尺寸相關(guān)和缺陷相關(guān)），多尺度結(jié)構(gòu)微元取向和尺寸設(shè)置導(dǎo)致不同尺度微結(jié)構(gòu)，在力學(xué)性能和缺陷特征方面存在顯著差異［15］，如何基于材料和細(xì)微結(jié)構(gòu)的工藝相關(guān)性演化規(guī)律，建立增材制造多尺度三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能預(yù)測和評(píng)價(jià)方法，是目前應(yīng)用研究領(lǐng)域亟待解決的焦點(diǎn)問題。

1.2 空間環(huán)境熱變形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

航天器裝備服役過程中，極端熱交變環(huán)境引起的材料與結(jié)構(gòu)熱膨脹變形，是影響裝備密封性和功能特性（如衛(wèi)星的對(duì)地觀測精度）的重要因素［21］。熱變形穩(wěn)定性是指航天器在服役過程中，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸及不同組件間的相對(duì)位置在較長時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的能力。傳統(tǒng)連續(xù)固體材料的線脹系數(shù)均在1×10?5/K 以上，已無法完全滿足航天器裝備嚴(yán)苛的熱變形穩(wěn)定性要求（＜1×10?6/K，近零膨脹）。如何在保證輕量化要求的前提下，進(jìn)一步提升航天器裝備部件的熱變形穩(wěn)定性，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題［22］。

研究者們圍繞如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的熱變形穩(wěn)定，開展了大量創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究工作，發(fā)展了眾多具有特異熱變形特性的結(jié)構(gòu)形式。目前，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)部熱變形穩(wěn)定的方案主要包括兩種：一是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)裝備關(guān)鍵構(gòu)件等效線脹系數(shù)與其連接結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，降低構(gòu)件間的熱變形失配程度［23］；二是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求結(jié)構(gòu)整體等效線脹系數(shù)為零（即零膨脹超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在變溫環(huán)境下熱膨脹應(yīng)變近似為零，保證結(jié)構(gòu)的絕對(duì)熱尺寸穩(wěn)定［22］（圖3）。

圖3 熱變形穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的兩種技術(shù)途徑Fig.3 Two strategies for the design of metamaterials with high thermal?mechanical stability

目前，具有特異熱致變形特性的超結(jié)構(gòu)均通過對(duì)兩種具有不同線脹系數(shù)的材料進(jìn)行復(fù)合，利用二者之間的熱變形失配引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部非協(xié)調(diào)變形，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)等效線脹系數(shù)由正到負(fù)的調(diào)控。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特異熱致變形特性的設(shè)計(jì)方法主要包括：（a）基于拓?fù)鋬?yōu)化的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［24］；（b）基于拉伸主導(dǎo)的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［25］；（c）基于彎曲主導(dǎo)的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［26］；（d）基于拉伸/彎曲耦合的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［27］；（e）基于層合復(fù)合材料的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［28］；（f）基于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［29］等，如圖4所示。

圖4 幾種典型的具有特異熱變形特性的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法Fig.4 Typical design methods for metamaterial with unique thermal expansion

基于拓?fù)鋬?yōu)化的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，是以結(jié)構(gòu)特異熱膨脹性質(zhì)為優(yōu)化目標(biāo)，以線脹系數(shù)存在差異的多相材料（兩相或三相）為基本組成單元，采用特定優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)熱變形可調(diào)多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化篩選［24］?；诶熘鲗?dǎo)的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通常將具有不同線脹系數(shù)的桿件組成點(diǎn)陣胞元，利用不同桿件之間的軸向熱膨脹的差異引起桿件節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而完成對(duì)整體結(jié)構(gòu)等效線脹系數(shù)的調(diào)控［25］?；趶澢鲗?dǎo)的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過將兩種具有不同熱膨脹系數(shù)的材料粘接形成復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，將異質(zhì)材料間的熱失配應(yīng)變轉(zhuǎn)換為復(fù)合梁的彎曲變形，實(shí)現(xiàn)超結(jié)構(gòu)的整體特異熱膨脹特性［26］。基于拉伸/彎曲耦合的設(shè)計(jì)方法，利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉伸與彎曲兩種變形模式的相互耦合，使整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出特異的熱膨脹性質(zhì)［27］。基于層合復(fù)合材料的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及基于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均是通過在基體內(nèi)部填充具有不同熱膨脹特性的纖維或具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的顆粒，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體熱變形特性的調(diào)控［28?29］。

目前，國內(nèi)外研究人員針對(duì)具有特異熱變形特性的超結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得了較為豐富的研究成果，發(fā)展了包括拉伸型、彎曲型以及拉彎混合型等數(shù)十種熱變形穩(wěn)定的二維/三維超結(jié)構(gòu)基本構(gòu)型。已見報(bào)道的零膨脹超結(jié)構(gòu)的最優(yōu)測試結(jié)果為?0.32×10?6/K［30］。需要注意到，目前針對(duì)熱變形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的研究主要集中于如何實(shí)現(xiàn)特異熱膨脹特性，對(duì)于結(jié)構(gòu)的輕量化水平及力學(xué)承載能力關(guān)注較少。高承載零膨脹結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段，技術(shù)成熟度較低，還不具備實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)缺乏對(duì)大尺寸工程構(gòu)件的熱變形及等效線脹系數(shù)的精確測試表征方法。發(fā)展輕量化零膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高水平熱變形穩(wěn)定性的同時(shí)，完善結(jié)構(gòu)的高承載輕量化特征，發(fā)展面向空間環(huán)境應(yīng)用的結(jié)構(gòu)多功能一體化設(shè)計(jì)方法，搭建適用于大尺寸工程部件的熱變形測試表征系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)熱變形特性的高精度測量、表征與評(píng)價(jià)，是未來該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，也是零膨脹超結(jié)構(gòu)走向?qū)嶋H應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵工程及科學(xué)問題。

1.3 輕量化智能折展結(jié)構(gòu)

輕質(zhì)智能折展結(jié)構(gòu)能將各類大型裝備折疊收攏至緊湊尺寸，并可基于任務(wù)需求展開，具有靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在空間天線、太陽翼、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前空間折展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法愈加靈活，結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化也已經(jīng)趨于完善，隨著材料與結(jié)構(gòu)科學(xué)的進(jìn)步，輕量化和智能化正成為空間可展結(jié)構(gòu)的新發(fā)展趨勢(shì)。

目前，空間折展結(jié)構(gòu)的類型主要包括伸展臂、網(wǎng)格形空間桁架和平面折疊式結(jié)構(gòu)［31］等，如圖5所示。伸展臂具有高強(qiáng)度、高控制精度等特點(diǎn)，其收攏率（收攏長度/展開長度）可達(dá)3%，主要應(yīng)用于太空望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域［32］。網(wǎng)格式空間桁架結(jié)構(gòu)具有較大的收攏率，可展桁架結(jié)構(gòu)基本單元包括四面體、四棱錐、六棱柱等，主要應(yīng)用于可折展天線，例如JAXA 研發(fā)的LDREX?2 天線反射器，2006年由工程衛(wèi)星ETS?Ⅷ搭載成功在太空部署［33］。平面折疊式折展結(jié)構(gòu)多用于衛(wèi)星太陽翼，一般采用多個(gè)剛性基板折疊的方式進(jìn)行收攏，由電機(jī)和彈簧鉸鏈驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)折展［34］。當(dāng)前的空間折展結(jié)構(gòu)仍以桁架式為主，其技術(shù)及工藝已經(jīng)趨于成熟，但這類結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制復(fù)雜、質(zhì)量密度低，在未來仍然有巨大的性能提升空間。

圖5 三類典型空間折展結(jié)構(gòu)Fig.5 Three types of typical space?folding structures

考慮到空間折展結(jié)構(gòu)的運(yùn)載成本和體積約束，大折展比、高輕量化以及智能化的需求日趨突出，智能材料與智能構(gòu)件在折展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用成為領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。折紙結(jié)構(gòu)起源于傳統(tǒng)藝術(shù)，它本質(zhì)上是板和鉸鏈的組合，即通過柔順鉸鏈將板連接起來以形成具有可調(diào)變形機(jī)制的復(fù)雜幾何構(gòu)型。折紙結(jié)構(gòu)的應(yīng)用為減輕太陽翼的質(zhì)量、提高其穩(wěn)定性提供了高效的手段，例如：應(yīng)用了三浦折紙結(jié)構(gòu)的太陽翼Space Flyer Unit 于1995年在衛(wèi)星上成功運(yùn)行［35］；NASA 研究的Flasher 折紙模型，其由中心向四周發(fā)散的展開方式及其單自由度特點(diǎn)可使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定地展開［36］；JAXA 開發(fā)的IKAROS 太陽帆可展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新地利用離心力將多穩(wěn)態(tài)的Hyper 折紙薄膜結(jié)構(gòu)展開［37］等。另一方面，形狀記憶復(fù)合材料、形狀記憶合金等智能材料已經(jīng)逐漸應(yīng)用于空間折展結(jié)構(gòu)。形狀記憶復(fù)合材料因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，大幅提高了航天器的運(yùn)載能力，其優(yōu)異的形狀恢復(fù)性能為解決空間可展結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)提供了新的思路。形狀記憶合金因其超彈性、形狀記憶效應(yīng)和極強(qiáng)的恢復(fù)力，在變體機(jī)翼的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了諸多應(yīng)用，如SMA 驅(qū)動(dòng)機(jī)翼蒙皮曲面等。近年來，研究者們?cè)谥悄芙Y(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)與折紙結(jié)構(gòu)相結(jié)合的智能折展結(jié)構(gòu)上也取得了很多代表性成果，如光聚合折紙［38］、形狀可編程折紙［39］、介電彈性體驅(qū)動(dòng)折紙［40］等，如圖6所示。這些前沿基礎(chǔ)研究為輕量化智能折展結(jié)構(gòu)提供了更廣闊的思路，在未來航天裝備上有著巨大的應(yīng)用潛力。

圖6 智能折紙空間折展結(jié)構(gòu)Fig.6 Intelligent space deployable structures based on origami design

航天器裝備服役過程中面臨交變溫度、空間等離子體、電磁輻射、行星大氣等極端環(huán)境條件，對(duì)折展結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和可靠的變形過程提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)空間折展結(jié)構(gòu)相比，目前輕量化智能折展結(jié)構(gòu)的研究大部分仍集中于基本變形功能的驗(yàn)證，如何定量感知空間服役環(huán)境、自適應(yīng)調(diào)控和驅(qū)動(dòng)智能構(gòu)件、實(shí)現(xiàn)折展過程的精細(xì)化控制，是亟須解決的關(guān)鍵工程及科學(xué)問題。

1.4 航天器分離解鎖結(jié)構(gòu)

連接分離裝置是關(guān)系航天器發(fā)射成功與否的關(guān)鍵部件。分離前需保證部件連接可靠；分離時(shí)需保證分離動(dòng)作準(zhǔn)確完成，產(chǎn)生的沖擊不對(duì)航天器的電子器件等產(chǎn)生破壞；分離后要保證分離結(jié)構(gòu)或分離時(shí)產(chǎn)生的碎片不對(duì)下一級(jí)飛行器產(chǎn)生影響。分離解鎖裝置的承載能力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［41］、分離沖擊能量傳遞機(jī)理與控制方法［42］、結(jié)構(gòu)分離時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析及動(dòng)態(tài)包絡(luò)設(shè)計(jì)方法［43］，是分離解鎖裝置設(shè)計(jì)中必須解決的科學(xué)難題。這些問題關(guān)系到連接分離機(jī)構(gòu)的承載性能及可靠性，對(duì)于提升我國航天器科技水平具有重要意義。

連接分離裝置按照作用方式可以分為點(diǎn)式分離裝置與線式分離裝置。點(diǎn)式分離裝置，常見為各種包帶式連接分離裝置。典型的包帶連接結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示，主要通過爆炸螺栓、鎖緊卡塊和金屬帶實(shí)現(xiàn)星箭分離［44］。傳統(tǒng)包帶連接結(jié)構(gòu)在爆炸螺栓處施加預(yù)緊力，使金屬帶張緊從而箍緊卡塊，實(shí)現(xiàn)連接功能。航天裝備的發(fā)展對(duì)火箭的承載能力提出了越來越高的要求，由于金屬帶截面積較小導(dǎo)致火箭承載能力的提升受到限制，傳統(tǒng)包帶結(jié)構(gòu)已無法滿足大承載火箭的技術(shù)要求。近年來研究者們將卡塊與金屬帶合二為一，發(fā)展了剛性包帶連接分離裝置［45］，顯著提高了包帶系統(tǒng)的承載能力，如圖8所示。線式分離裝置，常見為聚能炸藥鎖裝置、氣囊式炸藥鎖裝置及膨脹管裝置［46］。其中，聚能炸藥鎖具有沖擊大及環(huán)境污染的問題；氣囊式炸藥鎖沖擊較小、污染程度低，但是設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，可靠性差；膨脹管裝置是近年來較新的分離方案，如圖7（b）所示，爆炸產(chǎn)物被約束在膨脹管內(nèi)從而避免了污染，但分離結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配工藝繁瑣。為了提高連接分離裝置的分離可靠性，近年來在各種已有分離解鎖裝置的基礎(chǔ)上，發(fā)展了冗余解鎖裝置，如具有兩個(gè)解鎖裝置的冗余式剛性包帶分離結(jié)構(gòu)、具有兩根膨脹管的H 型膨脹管分離結(jié)構(gòu)等，冗余設(shè)計(jì)提高了分離解鎖結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖7 連接分離裝置Fig.7 Typical separation?connection devices

圖8 局部諧振型金屬超表面結(jié)構(gòu)［52，55］Fig.8 Local resonant structures with metallic metasurfaces

分離裝置按照是否采用火工品，可分為火工分離裝置與非火工分離裝置?；鸸ぱb置體積小、結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)［47］，但同時(shí)存在安全性差、無法重復(fù)使用、沖擊載荷大及易產(chǎn)生污染等明顯缺點(diǎn)。針對(duì)這些問題，國外目前已經(jīng)開展了無火工品分離裝置的研究，并得到了初步的應(yīng)用［48］。目前非火工驅(qū)動(dòng)裝置包括：熱切割釋放裝置［49］，石蠟驅(qū)動(dòng)釋放裝置、熔斷釋放裝置［50］、QWKNUT分離螺母、STAR分離螺母［51］等。這些新的設(shè)計(jì)促進(jìn)了連接分離機(jī)構(gòu)綜合性能的提高。

近年來連接分離裝置的設(shè)計(jì)取得了長足進(jìn)步，但是隨著航天裝備對(duì)高承載、低沖擊、低污染及高可靠性等綜合指標(biāo)的要求不斷提高，高性能連接分離裝置的設(shè)計(jì)依然是航天器設(shè)計(jì)中的難題。開展高承載能力的實(shí)現(xiàn)方案、連接分離過程的動(dòng)力學(xué)仿真、分離沖擊防護(hù)技術(shù)及地面等效實(shí)驗(yàn)方法的研究，解決分離解鎖裝置設(shè)計(jì)中所面臨的承載能力設(shè)計(jì)方法、分離沖擊能量傳遞機(jī)理與控制方法、結(jié)構(gòu)分離動(dòng)力學(xué)分析等科學(xué)難題，形成新的連接設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及分離設(shè)計(jì)方法，是進(jìn)一步提高我國航天分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的有效途徑。

1.5 輕量化隱身承載一體化結(jié)構(gòu)

相比于傳統(tǒng)涂層隱身材料，結(jié)構(gòu)化隱身技術(shù)能夠突破材料電磁參數(shù)搭配的固有局限，具有廣闊的可設(shè)計(jì)性以及多功能兼容性，近年來成為隱身技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)化隱身就是將電磁損耗材料與超結(jié)構(gòu)的概念相融合，獲得與材料電磁參數(shù)匹配的構(gòu)型，以拓寬寬頻吸波性能。隱身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)與寬頻化設(shè)計(jì)在構(gòu)型特征的要求上往往存在矛盾，因此發(fā)展多功能耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，是實(shí)現(xiàn)隱身承載一體化結(jié)構(gòu)輕量化和寬頻化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)輕量化隱身結(jié)構(gòu)開展了大量研究，所涉及的主要結(jié)構(gòu)形式可歸納為三種：局部諧振型結(jié)構(gòu)、界面損耗型結(jié)構(gòu)和阻抗變換型結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)形式的寬頻吸波機(jī)理與輕量化性能均不相同。局部諧振型結(jié)構(gòu)由金屬超表面與損耗介質(zhì)疊合組成，金屬超表面為具有特定圖案的亞波長周期性陣列二維平面［52］，如圖8（a）所示。單胞圖案的設(shè)計(jì)能夠調(diào)控入射電磁波散射特性，圖案特征尺寸越小，作用頻段越高［53］。常用損耗介質(zhì)層為樹脂材料或纖維增強(qiáng)樹脂材料，配合低面密度超薄金屬超表面，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的輕量化特性和吸波性能［54］。常用的金屬超表面圖案有方形、環(huán)形、十字形以及不規(guī)則復(fù)雜圖案等［55］，如圖8（b）所示。復(fù)雜設(shè)計(jì)圖案的可優(yōu)化性較差，較難獲得散射阻抗特性的理論模型，只能通過拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行數(shù)值設(shè)計(jì)。局部諧振型結(jié)構(gòu)面密度通常小于3 kg/m2，?10 dB 吸波帶寬在4～18 GHz 內(nèi)，較難在小厚度情況下實(shí)現(xiàn)低頻吸波，但設(shè)計(jì)厚度可以保持在10 mm 以下而不過多犧牲寬頻吸波性能。

界面損耗型結(jié)構(gòu)與局部諧振型結(jié)構(gòu)相反，超表面使用帶有等效面電路的圖案化電阻膜或薄平板［如圖9（a）所示］，介質(zhì)層使用無損耗或有損耗材料，如泡沫［56］［如圖9（b）所示］和纖維增強(qiáng)樹脂［57］。相比于具有高電導(dǎo)率的金屬超表面結(jié)構(gòu)，圖案化電阻膜加入了面阻抗，使其設(shè)計(jì)形式更加豐富［58］［如圖9（c）所示］。界面損耗型結(jié)構(gòu)的電磁波能量損耗部位集中于圖案化電阻膜中，形成了多層界面損耗，加上低介電低損耗介質(zhì)的兼容，使其能夠在20 mm 厚度以下實(shí)現(xiàn)2～18 GHz 的?10 dB 寬頻隱身性能［59］，面密度保持在5 kg/m2量級(jí)。界面損耗型結(jié)構(gòu)通過超薄超輕電阻膜與輕質(zhì)泡沫組合，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，易于在航空航天、船舶器械等結(jié)構(gòu)中使用，可實(shí)現(xiàn)力學(xué)承載性能的集成［60］［如圖9（d）所示］，在對(duì)厚度要求不太苛刻的需求中有廣闊的應(yīng)用前景。

圖9 界面損耗型結(jié)構(gòu)整體樣式及圖案化電阻膜設(shè)計(jì)［56，58，60］Fig.9 Configuration of surface?loss structures and designs of patterned resistive films

阻抗變換型結(jié)構(gòu)是前兩種結(jié)構(gòu)的升級(jí)版本，是目前隱身領(lǐng)域國際上最前沿的研究方向之一，其通過對(duì)材料進(jìn)行空間分布配置，實(shí)現(xiàn)單胞的空間阻抗變換特性，在寬頻隱身、輕量化設(shè)計(jì)和功能集成方面有巨大的設(shè)計(jì)空間和潛能。阻抗變換型結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是亞波長超結(jié)構(gòu)，由周期性空間單胞組成［62］［如圖10（a）所示］?；陔姶烹p損耗材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)［如圖10（b）所示］，可以獲得2～40 GHz 的?10 dB 超寬帶隱身性能，突破材料內(nèi)稟電磁參數(shù)匹配不良的局限性。目前已有蜂窩［如圖10（c）所示］、方形格柵［如圖10（d）所示］等構(gòu)型的阻抗變換型超結(jié)構(gòu)，具備良好的力學(xué)承載寬頻隱身綜合性能，但這些結(jié)構(gòu)的面密度達(dá)到了10 kg/m2量級(jí)，在輕量化設(shè)計(jì)方面仍有提高空間。阻抗變換型結(jié)構(gòu)通過特殊的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)﹄姶艌霎a(chǎn)生集中、扭曲、圍困等作用，對(duì)電磁波反射有很好的控制效果。但是由于空間構(gòu)型種類無限多，因而較難提出一種統(tǒng)一所有阻抗變換型結(jié)構(gòu)的輕量化隱身理論。阻抗變換型結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)、輕量化融合設(shè)計(jì)以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，是其發(fā)展所面臨的三個(gè)主要科學(xué)問題。

圖10 阻抗變換型結(jié)構(gòu)樣式及隱身原理示意圖［61?63］Fig.10 Impedance transformed structures and microwave absorption mechanisms

上述三種輕量化隱身結(jié)構(gòu)類型在輕量化性能、寬頻隱身性能、力學(xué)承載性能、功能集成潛能等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，在成熟度、制備工藝、制造難度、母體材料特性等指標(biāo)和要求上各有利弊，需要綜合實(shí)際需求、服役環(huán)境等外部因素，才能最好地發(fā)揮出所選用結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)點(diǎn)，使其綜合性能達(dá)到最優(yōu)效果。

2 輕量化結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造技術(shù)

隨著新型航天器對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化需求的日益迫切，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其卓越的比模量與比強(qiáng)度，被廣泛地應(yīng)用于新型運(yùn)載火箭與其他航天器結(jié)構(gòu)中。傳統(tǒng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料雖然具備較高的強(qiáng)度，但為保證成型質(zhì)量，往往需采用熱壓罐制造工藝，經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本高昂，不利于大型構(gòu)件的快速制造。高性能熱塑性復(fù)合材料（TPC）基于其樹脂在加熱后可熔化、降溫后可固化的性質(zhì)，適于采用熱壓等低成本制造工藝進(jìn)行快速成型［64］。此外，TPC結(jié)構(gòu)還可通過熔融連接（也稱“焊接”）技術(shù)進(jìn)行連接裝配，一方面避免了傳統(tǒng)機(jī)械連接在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中引起的鉆孔分層、纖維斷裂等缺陷，同時(shí)無需膠接中所需的復(fù)雜前處理工藝［65］。TPC焊接技術(shù)的原理如圖11所示［66］。在兩個(gè)被壓緊的TPC結(jié)構(gòu)部件的界面處引入局部熱源，界面處的材料會(huì)在力熱耦合作用下發(fā)生軟化，形成“致密式”接觸（intimate contact）。隨著溫度的升高，上下熱塑性基體中的分子鏈會(huì)在界面處進(jìn)行流動(dòng)和擴(kuò)散，形成熔融區(qū)域。最終，熔融狀態(tài)的聚合物在壓力持續(xù)作用下降溫固化，形成焊接區(qū)域。隨著TPC在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，TPC焊接技術(shù)也逐步受到科研界與工程界的重視。根據(jù)產(chǎn)熱機(jī)理的不同，TPC焊接技術(shù)可大致分為三大類：熱熔焊接、摩擦焊接與電磁焊接，其中被認(rèn)為最具發(fā)展?jié)摿Φ娜N焊接技術(shù)為電阻焊接、感應(yīng)焊接與超聲焊接［67］，如圖12所示。

圖11 TPC焊接過程原理圖［66］Fig.11 Schematic diagram of the welding process of thermoplastic composites

圖12 典型的三種TPC焊接工藝Fig.12 Typical welding process of thermoplastic composites

電阻焊接是通過在焊接界面植入導(dǎo)熱媒介，在導(dǎo)熱物兩端接通直流電，基于焦耳定律產(chǎn)熱而實(shí)現(xiàn)的焊接工藝，如圖12（a）所示。TAYLOR 等人［68］對(duì)比了金屬網(wǎng)與碳纖維預(yù)浸料作為導(dǎo)熱媒介對(duì)APC?2電阻焊接的影響，并發(fā)現(xiàn)金屬網(wǎng)可提高產(chǎn)熱效率，但在受載過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。SHI等人［69］基于焊接實(shí)驗(yàn)、力學(xué)測試及斷面分析等方法探究了GF/PEI復(fù)合材料中纖維方向?qū)附咏Y(jié)構(gòu)力學(xué)性能與失效模式的影響，并基于位移探測技術(shù)探究了焊接工藝窗口的控制方法。STRAVROV 與BERSEE［70］對(duì)TPC 電阻焊接工藝，包括焊接工藝過程、設(shè)備、關(guān)鍵工藝參數(shù)、評(píng)價(jià)測試方法等多個(gè)方面，進(jìn)行了系統(tǒng)性的綜述。電阻焊接的產(chǎn)熱機(jī)制較為簡單，設(shè)備要求低，便于實(shí)現(xiàn)。然而，由于金屬導(dǎo)熱物在焊接結(jié)束后會(huì)留在界面，不僅增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)在服役過程中存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，而碳纖維導(dǎo)熱物則容易漏電，導(dǎo)致工藝難以控制，因此在導(dǎo)熱媒介的選取上仍需進(jìn)一步研究。

感應(yīng)焊接的產(chǎn)熱機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，首先在待焊接區(qū)域周邊引入一接通交變電流的金屬導(dǎo)熱線圈，從而產(chǎn)生交變的感應(yīng)磁場。同時(shí)，在焊接界面植入具備自回路的電磁物質(zhì)，在磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電場而發(fā)熱，如圖12（b）所示。FLANAGAN 等人［71］探究了CF/PEEK 帽型加筋壁板基于感應(yīng)焊接的制造工藝，并發(fā)現(xiàn)感應(yīng)焊接結(jié)構(gòu)與膠接結(jié)構(gòu)具備相同的剛度與承載能力，但前者呈現(xiàn)出更低的內(nèi)部微缺陷與熱變形。FARAHANI 等人［72］圍繞銀質(zhì)納米顆粒制造的產(chǎn)熱單元開展了感應(yīng)焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型產(chǎn)熱單元相比傳統(tǒng)不銹鋼材料具備更快的加熱速率。AHMED 和STRAVROV［73］針對(duì)TPC 感應(yīng)焊接工藝已開展的相關(guān)工作進(jìn)行了綜述，綜合分析了線圈結(jié)構(gòu)、纖維分布、熱源種類等相關(guān)因素對(duì)焊接工藝及焊接強(qiáng)度的影響規(guī)律。感應(yīng)焊接是目前工業(yè)化程度最高的焊接技術(shù)，可很好地用于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接。但是其產(chǎn)熱過程較依賴于導(dǎo)熱線圈構(gòu)型與復(fù)合材料中的纖維架構(gòu)，因此線圈設(shè)計(jì)與溫度控制方面的研究是工藝優(yōu)化的核心問題。

超聲焊接是通過在焊接界面上施加高頻率超聲波振蕩，結(jié)合施加的壓力在界面處產(chǎn)熱，熔化界面熱塑性基體并形成焊接層的過程，如圖12（c）所示。BENATAR 和GUTOWSKI［74］在20世紀(jì)90年代就初步探究了CF/PEEK 復(fù)合材料超聲焊接的產(chǎn)熱機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的VILLEGAS和加拿大麥吉爾大學(xué)的LEVY 等人分別基于實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算方法圍繞TPC 超聲焊接工藝開展了深入的研究，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型［75］、工藝參數(shù)［76］及焊接控制模式［77］等多方面影響因素對(duì)TPC 超聲焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化。北京理工大學(xué)的趙天等人［78］發(fā)展了TPC 超聲多點(diǎn)焊接制造技術(shù)，提出了面向高承載接頭的制造方法與穩(wěn)定的工藝控制方法。TPC 超聲焊接具備工藝時(shí)間短（秒量級(jí)）、界面無異質(zhì)、可在線監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效清潔的焊接技術(shù)。然而，由于超聲焊接過程中產(chǎn)熱機(jī)制復(fù)雜，目前工藝解讀性較低，揭示焊接過程中的物理演化機(jī)制，發(fā)展面向大型TPC 結(jié)構(gòu)的超聲焊接工藝，將是未來的研究重點(diǎn)。

綜上所述，TPC焊接技術(shù)是基于TPC自身材料屬性發(fā)展的新型連接技術(shù)，相比傳統(tǒng)的機(jī)械連接與膠接技術(shù)具備顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有典型的幾種焊接技術(shù)都存在各自的缺點(diǎn)，且當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)方面的研究還處于起步階段，在工藝控制與焊接質(zhì)量方面都存在諸多未解決的問題，亟待開展相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究，為未來航天裝備的輕量化設(shè)計(jì)與快速低成本制造提供新的思路與技術(shù)支撐。

3 展望

針對(duì)航天器輕量化多功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與制造技術(shù)，重點(diǎn)概述了幾類典型輕量化結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。新型輕量化多功能結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，豐富了航天裝備的技術(shù)內(nèi)涵，為新一代航天器的研發(fā)提供了創(chuàng)新源泉。航天器輕量化多功能結(jié)構(gòu)未來需要重點(diǎn)關(guān)注的工程與科學(xué)問題，主要包括以下五個(gè)方面：

（1）探究增材制造母體材料和細(xì)微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的工藝相關(guān)性演化規(guī)律，建立增材制造多尺度三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能預(yù)測和評(píng)價(jià)方法，是目前應(yīng)用研究領(lǐng)域亟待解決的焦點(diǎn)問題；

（2）輕質(zhì)?承載?熱穩(wěn)定一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與表征方法，明晰機(jī)械變形和熱變形間的競爭機(jī)制，并建立其宏觀熱力響應(yīng)理論預(yù)測模型，搭建適用于大尺寸工程部件的熱變形測試表征系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)熱變形特性的高精度測量、表征與評(píng)價(jià)；

（3）自適應(yīng)高精度智能折展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，如何定量感知空間服役環(huán)境、自適應(yīng)調(diào)控和驅(qū)動(dòng)智能構(gòu)件、實(shí)現(xiàn)折展過程的精細(xì)化控制，是亟須解決的關(guān)鍵工程及科學(xué)問題；

（4）多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)增材制造（3D/4D）技術(shù)，開發(fā)適應(yīng)于增材制造技術(shù)的新型材料體系，突破連續(xù)增強(qiáng)纖維復(fù)合材料工藝過程控制技術(shù)，結(jié)合增材制造工藝特點(diǎn)，以及多功能結(jié)構(gòu)變形的精準(zhǔn)調(diào)控等因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)研究；

（5）材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)數(shù)字化檢測與定量化評(píng)價(jià)，發(fā)展材料結(jié)構(gòu)功能一體化的性能測試技術(shù)與性能評(píng)價(jià)表征方法，建立材料與結(jié)構(gòu)性能的跨尺度關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)技術(shù)，關(guān)注能夠反映材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的基于μ?CT 掃描的三維圖像重構(gòu)、數(shù)值化建模技術(shù)，以及多物理化學(xué)場耦合作用下材料與結(jié)構(gòu)的損傷演化分析與評(píng)價(jià)技術(shù)。