衛(wèi)星工程中的材料應(yīng)用與需求展望

陳夜 彭海闊 張如變 王開浚 任友良(上海衛(wèi)星工程研究所)

級，是國內(nèi)空間遙感器反射鏡的首選材料。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研制的碳化硅單體反射鏡，直徑達到4.05m，加工精度高達15.2nm。而近年來受到關(guān)注的鈹，密度僅為1.8 g/cm，具備高比熱和熱導(dǎo)率特性，有利于消除反射鏡鏡體的溫度梯度，已應(yīng)用于當(dāng)前最先進的詹姆斯·韋布空間望遠鏡，鈹鏡面口徑達到6.6m。

3 未來需求與趨勢

航天規(guī)劃需求

面向未來，中國在應(yīng)用衛(wèi)星、載人航天、深空探測領(lǐng)域制定了一系列的發(fā)展規(guī)劃，包括高分辨率對地觀測系統(tǒng)、高性能導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)、長期載人空間站等，對衛(wèi)星性能、集成度、壽命均提出了更高的要求。材料作為衛(wèi)星產(chǎn)品的基礎(chǔ)元素，未來存在以下發(fā)展需求。

材料的性能是實現(xiàn)衛(wèi)星各項性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，衛(wèi)星的輕量化、高分辨率強烈地依賴于材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等物理性能的提升。

高集成度是未來衛(wèi)星發(fā)展的重要方向，以適應(yīng)批量化研制、多星組網(wǎng)發(fā)射的新模式。為了使星上設(shè)備實現(xiàn)更多功能，衛(wèi)星材料還應(yīng)具有感應(yīng)、驅(qū)動等能力，提高衛(wèi)星設(shè)計的集成度。

在以深空探測為代表的重大任務(wù)中，星上材料需要應(yīng)對各種空間環(huán)境的挑戰(zhàn)，保持性能穩(wěn)定、功能可靠，保障衛(wèi)星的長壽命運行。

衛(wèi)星材料的發(fā)展趨勢

衛(wèi)星工程需求牽引著材料技術(shù)的發(fā)展。面對未來重大航天任務(wù)規(guī)劃，衛(wèi)星材料不斷追求質(zhì)量、剛度、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、隔熱性等物理性能的提升，開發(fā)智能化功能，完善應(yīng)對空間碎片的自我防護能力，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

輕量化是衛(wèi)星材料永恒的追求。衛(wèi)星的更新?lián)Q代往往伴隨著結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比的降低，結(jié)構(gòu)輕量化是評價衛(wèi)星先進性的重要指標(biāo)。

在航天金屬材料中，相較于目前應(yīng)用最廣的鋁，鎂、鋰具有密度低的優(yōu)勢，但存在工藝性、力學(xué)性能不穩(wěn)定的問題，高強度鎂基合金、鋁鋰合金將是金屬材料輕量化的重要方向。復(fù)合材料中，高模量碳纖維、蜂窩結(jié)構(gòu)已普遍應(yīng)用于我國衛(wèi)星，使得結(jié)構(gòu)占衛(wèi)星質(zhì)量比重為10%左右，而更高模量碳纖維、格柵增強結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有望將結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比降低至6%～8%，達到國際先進水平。

大尺寸鈹鏡

在遙感、通信、導(dǎo)航、深空探測領(lǐng)域，光學(xué)相機、天線等衛(wèi)星有效載荷正在向大口徑、高分辨率方向發(fā)展，光學(xué)設(shè)備與結(jié)構(gòu)件材料需具備高剛度、低膨脹率特性，以保證在軌的構(gòu)型與尺寸穩(wěn)定性。在光學(xué)相機上，大尺寸碳化硅反射鏡、大尺寸鈹鏡已成為實現(xiàn)高分辨率的關(guān)鍵技術(shù)，具有急迫的工程需求。在大型天線上，高模量纖維、硬質(zhì)薄膜、形狀記憶材料等高比剛度材料將是結(jié)構(gòu)支撐的關(guān)鍵，是我國未來卷曲天線、薄膜天線、充氣天線等超大尺寸空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

在以載人航天器為代表的大型復(fù)雜衛(wèi)星領(lǐng)域，星上集成了大量的電子元器件。面對高集成度、高功率元器件的散熱需求，高導(dǎo)熱熱控材料是其中的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率難以滿足需求，需要開展高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料的研究，將熱導(dǎo)率提高10～20 倍。

在深空探測領(lǐng)域，火星等行星表面存在氣流，溫度變化劇烈，使得傳統(tǒng)的多層隔熱組件效果顯著降低。納米氣凝膠隔熱材料隔熱性能優(yōu)越，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性高，在復(fù)雜環(huán)境下具備理想的隔熱效果，是火星等行星表面探測任務(wù)的基礎(chǔ)。

衛(wèi)星材料除具有承載、連接等基本結(jié)構(gòu)功能外，還應(yīng)具備自感知、自驅(qū)動、自適應(yīng)等多種能力。壓電材料、形狀記憶合金等材料在環(huán)境作用下，形狀、剛度、阻尼等固有性能可以發(fā)生顯著變化，通過與傳感器、驅(qū)動器、控制元件復(fù)合組裝，實現(xiàn)一定的智能特性。例如，將壓電傳感器埋設(shè)于復(fù)合材料，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的完整性監(jiān)測；形狀記憶合金應(yīng)用于展開機構(gòu)，可實現(xiàn)大型附件的展開與姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。未來，壓電復(fù)合材料、高強度、高剛度的記憶合金材料等新技術(shù)將是推動衛(wèi)星功能智能化的重要途徑。

面對我國未來高價值衛(wèi)星的長壽命要求，材料還承擔(dān)著保護衛(wèi)星安全、提高衛(wèi)星可靠性的任務(wù)。衛(wèi)星的安全威脅主要來自空間碎片，碎片相對衛(wèi)星的飛行速度達到每秒千米級以上，截至2019 年，國際上公開報道的衛(wèi)星碎片撞擊事故已超過16 起。對于毫米級的微小型碎片，首要目標(biāo)是通過防護材料最大限度地吸收碎片的動能，可考慮的材料包括高強度多層石墨烯、復(fù)合金屬泡沫、多層填充防護結(jié)構(gòu)等；而對于更大尺寸的碎片，碰撞后的損傷不可避免，更傾向于通過仿真、試驗技術(shù)評估材料的易損性，提高材料在碰撞后的生存能力，一種思路是將愈合劑植入基體材料，對材料發(fā)生的損傷進行修復(fù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自愈合。

4 結(jié)束語

在中國向航天強國邁進的過程中，將實施一系列航天重大工程，造就一大批功能性強、復(fù)雜性高的大國重器，亟需先進材料技術(shù)的支撐，主要體現(xiàn)在以下三個方面：①高性能材料，包括輕量化材料、高剛度、高穩(wěn)定性材料、高導(dǎo)熱材料、高效隔熱材料等力、熱性能突出的材料；②智能化材料，包括壓電材料、記憶合金等新材料；③防護性材料，包括高強度防護材料與自愈合復(fù)合材料等。