葉曉濱，吳艷紅，劉宇艷，王 盼，陳 碩

(1.航天科工空間工程發(fā)展有限公司 空間結(jié)構(gòu)技術(shù)部，北京 100854；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京新風(fēng)航天裝備有限公司 復(fù)材研發(fā)中心，北京 100854)

0 引言

空間充氣展開結(jié)構(gòu)由多種柔性材料復(fù)合而成，通過(guò)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部充氣使其展開形成預(yù)設(shè)的形狀。由于柔性材料的使用，在發(fā)射升空前可通過(guò)折疊包裝極大地降低發(fā)射體積；在發(fā)射入軌后，可通過(guò)充氣展開和成型固化，形成具有一定強(qiáng)度和剛度的空間結(jié)構(gòu)[1-4]。空間充氣展開結(jié)構(gòu)具有折疊體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)剛度高、展開可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其在航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

熱成型固化材料是空間充氣展開結(jié)構(gòu)所用柔性材料的關(guān)鍵組成。熱成型固化材料由纖維增強(qiáng)材料和熱固性聚合物樹脂基體構(gòu)成，其中樹脂基體通過(guò)加熱進(jìn)行化學(xué)固化或交聯(lián)，固化周期為幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)，加熱方法可以由太陽(yáng)光照加熱和預(yù)埋加熱單元加熱[5]。

目前熱成型固化技術(shù)在空間充氣展開結(jié)構(gòu)已有一些研究成果[6-8]，但基本處于地面原理樣機(jī)階段，距離實(shí)際工程應(yīng)用還有一定差距。本文基于實(shí)際工程應(yīng)用需求，以5 m長(zhǎng)的空間充氣展開結(jié)構(gòu)為實(shí)施對(duì)象，總結(jié)熱固化材料在工程化應(yīng)用過(guò)程中面臨的若干問題及解決方案。

1 熱成型固化材料應(yīng)用情況

1.1 項(xiàng)目應(yīng)用方案

基于某空間型號(hào)項(xiàng)目需要，研制長(zhǎng)5 m的空間充氣展開結(jié)構(gòu)進(jìn)行在軌功能驗(yàn)證?？臻g充氣展開結(jié)構(gòu)由聚酰亞胺膜、芳綸纖維布、熱成型固化材料等多種柔性材料復(fù)合而成，熱成型固化材料采用中溫固化高溫軟化方式進(jìn)行成型，通過(guò)在空間充氣展開結(jié)構(gòu)中預(yù)埋加熱單元進(jìn)行實(shí)施。

具體方案為：航天器入軌前，空間充氣展開結(jié)構(gòu)處于折疊狀態(tài)(熱成型固化材料處于固化狀態(tài))；入軌后，對(duì)熱成型固化材料進(jìn)行加熱軟化。當(dāng)熱成型固化材料被加熱到超過(guò)特定轉(zhuǎn)化溫度而呈現(xiàn)軟化狀態(tài)后，充氣系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間充氣實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)展開；結(jié)構(gòu)充氣展開后，停止加熱，熱成型固化材料隨溫度降低而恢復(fù)固化狀態(tài)，從而使空間充氣展開結(jié)構(gòu)保持足夠的強(qiáng)度和剛度。

1.2 工程應(yīng)用存在的問題

1.2.1空間環(huán)境適應(yīng)性問題

首先，空間充氣展開結(jié)構(gòu)在軌使用時(shí)，在空間中會(huì)受到復(fù)雜的輻射、原子氧、真空等環(huán)境因素影響，熱固性材料存在質(zhì)量損失與氧化等問題，需驗(yàn)證確認(rèn)是否滿足航天器非金屬材料選用要求。

其次，長(zhǎng)期在軌工況下，空間充氣展開結(jié)構(gòu)為艙外設(shè)備，其溫度變化劇烈，熱固性材料在溫度變化狀態(tài)下的力學(xué)性能下降(強(qiáng)度、彈性模量等隨溫度變化)，存在力學(xué)性能穩(wěn)定性問題。

1.2.2熱量控制問題

空間充氣展開結(jié)構(gòu)在軌環(huán)境溫度變化劇烈，通過(guò)預(yù)埋加熱單元進(jìn)行加熱工作，加熱成型所需能量大。該能量在航天器太陽(yáng)翼帆板展開前僅由航天器自帶的蓄電池提供，對(duì)蓄電池電源分配影響較大。

因此，加熱方案是否合理有效，結(jié)構(gòu)外表面是否包覆多層隔熱組件，如何實(shí)現(xiàn)熱量傳導(dǎo)平衡以及加熱均勻性控制等問題需進(jìn)一步解決。

1.2.3加熱單元粘接工藝較難

傳統(tǒng)薄膜加熱單元實(shí)施工藝要求在有一定平面度要求的金屬表面粘接，粘接劑一般選用較厚的硅橡膠。而空間充氣展開結(jié)構(gòu)中加熱單元的實(shí)施對(duì)象為圓柱形管，粘貼表面為柔性膜且有較大的彎曲曲率，其粘接劑要求薄且柔軟，對(duì)粘接工藝要求較高。同時(shí)加熱溫度高，對(duì)加熱單元高溫下散熱、粘貼牢固性提出了更高的要求。

1.2.4熱固性材料復(fù)合膜多次折疊后力學(xué)性能穩(wěn)定性問題

空間充氣展開結(jié)構(gòu)在地面測(cè)試期間需進(jìn)行多次折疊展開動(dòng)作，熱固性材料與其它柔性薄膜復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)在折疊過(guò)程中會(huì)因?yàn)閺?fù)合材料增強(qiáng)纖維的損傷和樹脂的堆積，造成復(fù)合結(jié)構(gòu)彈性模量和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能下降[8]。

1.3 解決方案

針對(duì)上述問題，在本次工程化應(yīng)用中，也相應(yīng)采取了以下解決措施。

1.3.1優(yōu)化熱固化材料組分和試驗(yàn)

熱固化材料由雙組分構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化組分比例，并經(jīng)過(guò)宇航環(huán)境試驗(yàn)測(cè)量，使其滿足航天器用非金屬材料的真空出氣指標(biāo)要求[9]，即在真空度小于7×10-3Pa下，材料總質(zhì)量損失(TML)小于1%和收集的可凝揮發(fā)物(CVCM)小于0.1%。目前已獲得雙組分最優(yōu)配比，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得其真空出氣數(shù)據(jù)滿足指標(biāo)要求。

同時(shí)，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)量得到其在使用溫度范圍內(nèi)的力學(xué)參數(shù)(如彎曲強(qiáng)度、彈性模量等)，目前測(cè)得其力學(xué)性能參數(shù)的下限值滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1.3.2優(yōu)化熱控方案和元器件選用

對(duì)空間充氣展開結(jié)構(gòu)進(jìn)行在軌溫度變化仿真分析，確定主動(dòng)熱控方案和被動(dòng)熱控措施，得出在軌情況下的溫度變化范圍。然后根據(jù)該溫度范圍進(jìn)行熱成型固化材料和加熱單元等的選型。

具體工作包括：在主動(dòng)熱控方面，對(duì)空間充氣展開結(jié)構(gòu)采用分階段、分區(qū)域、分回路的加熱方式，調(diào)整加熱參數(shù)，減少短時(shí)間對(duì)整星電源分配的影響，優(yōu)化整體加熱方案；在被動(dòng)熱控方面，在空間充氣展開結(jié)構(gòu)外表面包覆多層隔熱組件，并根據(jù)需要選定隔熱組件的適用溫度、單元數(shù)量和反射屏材料；在熱成型固化材料方面，根據(jù)使用溫度和能量需求，選用中溫固化高溫軟化的熱成型固化材料；加熱單元選用能耐高溫的薄膜型加熱片。

1.3.3加熱單元粘接工藝攻關(guān)

加熱單元選用帶石墨烯背板的薄膜型加熱片，石墨烯背板具有強(qiáng)自散熱能力和較好的柔軟性，能適應(yīng)較大曲率、較高溫度環(huán)境。

同時(shí)，對(duì)加熱單元粘貼工藝進(jìn)行工藝攻關(guān)，已獲得較可靠的工藝實(shí)施方案，即通過(guò)平板工裝將原本曲面粘接方式改為平面粘接，在粘接時(shí)通過(guò)控制涂覆厚度、粘接速度等參數(shù)及采用“邊粘邊趕”的操作方式，并采用真空熱壓方式進(jìn)行固化工序，實(shí)現(xiàn)粘接層薄且粘貼牢固性強(qiáng)。

1.3.4折疊試驗(yàn)驗(yàn)證攻關(guān)

熱固性材料復(fù)合膜主要由聚酰亞胺膜、熱成型固化材料、芳綸纖維布、加熱單元等復(fù)合而成，通過(guò)調(diào)整上述各組分尺寸規(guī)格，試制熱固性材料復(fù)合膜并進(jìn)行試驗(yàn)，得到復(fù)合膜在一定折疊次數(shù)(包含折疊半徑、折疊時(shí)長(zhǎng)等)下的力學(xué)性能參數(shù)(如彎曲強(qiáng)度、彈性模量等)，使其力學(xué)性能參數(shù)的下限值滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某空間型號(hào)研制的5 m長(zhǎng)空間充氣展開結(jié)構(gòu)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了熱固化材料在工程應(yīng)用過(guò)程中面臨的空間環(huán)境適應(yīng)性、熱量控制、加熱單元實(shí)施工藝以及熱固性材料復(fù)合膜力學(xué)性能變化等問題，并相應(yīng)提出了若干解決思路及措施，對(duì)熱成型固化技術(shù)在空間充氣展開結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供了參考。