我國航天器發展對材料技術需求的思考

李明

（中國空間技術研究院，北京 100094）

我國航天器發展對材料技術需求的思考

李明

（中國空間技術研究院，北京 100094）

文章在分析我國航天器任務特點和未來發展方向的基礎上，從深空探測、載人航天、應用衛星平臺及載荷能力發展、空間太陽能電站等在軌長壽命服役的需求出發，提出航天器結構、熱控、特殊功能、電子等方面新材料發展需求的思考。

航天器；材料；需求

1 引言

航天器是在地球大氣層以外執行宇宙空間探索、開發或利用太空環境等特定任務的飛行器。經過多年發展，我國已形成通信衛星、導航衛星、對地觀測衛星、科學試驗衛星、載人航天器以及深空探測器等航天器系列。未來，隨著我國空間任務的發展，許多新的任務在設計與制造過程中，對新材料在性能指標、穩定性、一致性和在軌服役可靠性方面提出了更高的要求。

本文對我國航天器發展現狀及未來發展趨勢進行了分析，以結構、熱控、功能和電子等材料為例，提出航天器發展對新材料需求的思考。

2 我國航天器發展現狀

2．1 通信廣播衛星

我國通信廣播衛星主要服務于通信、廣播電視、遠程教育、“村村通”工程、信息化建設等民用領域。1970年4月，我國第一顆衛星成功發射至今，已成功研制出東方紅系列衛星。其中，1997年5月，利用東方紅三號衛星平臺研制的中星六號衛星發射成功，首次實現了中容量通信的服務能力。2006年發射的第三代通信衛星平臺，即東方紅四號衛星平臺，在整星功率、承載能力和服務壽命上大幅提升，并且實現了以尼日利亞一號衛星為代表的多顆通信衛星整星出口。2008年，我國天鏈一號數據中繼衛星成功發射，為大幅提高應用衛星的數據回傳能力和測控覆蓋率提供了服務平臺。未來，我國將研發東方紅五號超大型通信衛星平臺，將采用二次展開太陽翼、新型桁架結構、電推進等多種先進技術，該衛星在有效載荷比、有效載荷質量、電源功率等設計指標上與國際頂級通信衛星平臺相當。

2．2 導航衛星

導航衛星是我國的重要空間基礎設施之一，它將提供全天候、高精度的導航、定位與授時信息服務，可供海、陸、空任意位置的軍民用戶共享信息資源服務［1］。我國于2012年底已完成北斗二號一期14顆衛星組網任務，形成區域導航定位系統。目前，我國北斗二號二期工程已進入研制階段，預計2020年左右實現全球導航定位系統建設目標。北斗二期工程將基于功能多樣化、結構標準化、應用全球化和體系結構開放化的建設要求，衛星應用的單機、儀器設備及其元器件將全面國產化，實現自主可控的戰略目標。

2．3 對地觀測衛星

對地觀測衛星利用衛星傳感器獲取地球陸地、海洋和大氣的有關信息。由于具有覆蓋范圍廣、不受空域國界限制、不涉及人員安全等特點，廣泛應用于地球資源、測繪、農業、林業、海洋、氣象、國土利用、城市規劃、災害監測等領域，在軍事領域也得到了廣泛應用［2］。

我國在對地觀測衛星領域已形成地球資源衛星系列、“風云”氣象衛星系列、海洋衛星系列、環境與災害監測衛星星座等多個系列化衛星。

未來，隨著材料科學的發展，以及對高分辨率影像數據需求的拓展，對地觀測衛星將向小型化、高分辨率、高精度、長期穩定運行、光學與微波多種觀測手段兼備、全天候觀測能力和多星組網觀測方向發展［3］。

2．4 載人航天器

我國載人航天工程自1992年啟動以來，已成功完成了神舟飛船5次無人飛行和5次載人飛行，突破和掌握了載人天地往返、航天員出艙活動和空間交會對接、航天員在艙內工作與生活等重大技術，為建造空間站奠定了堅實的基礎。以神舟飛船、“天宮”等為代表的載人航天器實現了在低地球軌道、高密度原子氧特定空間環境下的在軌服役能力，構建了以載人航天為應用背景的密封降噪、環控生保、有害氣體控制等專業技術基礎。未來，我國載人三期工程將建造長期有人在軌值守的空間站，開展大規模的空間應用技術及空間科學試驗。在軌制造、在軌維修、長壽命服役、抗菌防霉等關鍵技術將在建造空間站工程中得到應用。

2．5 深空探測器

人類對月球以遠天體開展的空間探測活動稱為深空探測［4］。當前，我國開展的月球探測是探索宇宙、進行深空探測的重要基礎。我國的月球探測分為：繞、落、回三個發展階段，逐步實現對月球形貌、礦產資源分布、地質構造和物理場的整體性、綜合性探測；并掌握月面軟著陸、月球巡視勘察及月地再入返回等技術；同時，為月球基地的選擇提供基礎數據，為載人登月和月球基地建設積累經驗。未來，我國深空探測將開展太陽系行星、小行星和太陽的探測活動。空間探測任務將在深空自主導航技術，進入、著陸與上升技術，行星保護技術，先進推進技術，深空探測通信技術等方面提出了更為苛刻的技術挑戰［4－5］。

3 未來我國空間重大工程發展分析

預計2030年，我國空間基礎設施整體能力將進入國際前列：衛星通信系統向更高頻段、寬帶化、業務多樣化、全球覆蓋化發展，融合多種業務，加強與地面系統結合，支持寬帶組網及寬帶移動通信；建立性能優良、功能完善、滿足軍民需求的全球衛星導航系統；建成多種遙感手段、多種分辨率、從多角度觀測地球要素的地球綜合觀測系統。

此外，深空探測將開展以月球資源利用為宗旨的探測技術研究和基礎體系建設；以火星為重點，2021年完成火星環繞、著陸與巡視任務，2030年前完成火星取樣返回任務。未來，深空探測將逐步圍繞太陽系的起源與演化、小行星和太陽活動對地球影響、地外生命信息探尋等空間科學重大問題，開展太陽系內飛行探測。載人航天將在2020年后建成載人飛船、貨運飛船、空間站協調配套的體系，全面開展長期有人在軌照料的空間活動。總之，我國在現有航天器制造和專業技術基礎上，空間基礎設施建設將有新的發展。

空間太陽能電站是在空間軌道上，利用太陽能轉化為電能或激光，通過一定方式傳輸到地面、再轉化為電力供地面使用的天地一體化系統［6］。預計2030年前后，我國將開展兆瓦（MW）級空間太陽能電站系統建設的關鍵技術驗證工作。新型運載技術、新型結構材料、高效能量轉化技術、熱管理技術、超大結構及控制技術、在軌組裝技術的發展和優化，將是保障我國空間太陽能電站建設的基礎。

4 航天器發展對材料的需求及展望

隨著我國空間工程和科學任務的多樣化與復雜化發展，航天器以其種類繁多，功能復雜，聯合組網，系列化的特點成為未來我國航天器發展的常態。其中，由星間配合完成任務，系列化航天器多模式應用，深空或復雜軌道服役等新任務特點，將促使航天器產品在載荷單機和平臺系統上提出高性能、高穩定、長壽命、高可靠的指標要求。材料作為宇航產品的基礎元素，在扮演結構支撐、傳輸載體、能量通道、阻隔屏蔽等多樣角色的過程中，在發揮著其固有屬性作用的同時，也通過其性能先進性和多樣性的發展，來滿足未來航天器技術發展的需求［7］。

4．1 航天器關鍵承力結構材料發展的需求

航天器承力結構的主要功能是承受載荷，提供內部和外部儀器設備布局，連接儀器設備和定位，與運載器對接和分離，同時提供密封、絕緣、防塵、隔熱等特殊的功能。隨著航天器整體減重需求的發展，未來新型結構設計將向桁架式結構、半剛性結構、柔性展開結構、充氣式結構等輕量化結構設計方向發展。桁架、板式結構以金屬材料、金屬或非金屬基復合材料為主。新型高比強鋁鋰、鋁鎂合金、鋁基碳化硅復合材料、高性能鈦合金、鎂基高性能合金以及碳纖維、碳納米管等復合材料的選用，是結構減重的主要解決途徑。在低密度合金選用過程中，結構材料應首先面向高比剛度和高比強度進行結構設計，一方面要優化結構的固有頻率，從而有效規避發射階段的振動響應，另一方面要提高結構的動強度使其具有更高的承載能力；其次，重點考慮結構材料的可連接性能，例如可焊性；再次，須解決輕金屬結構材料的耐蝕問題，如輕質鎂合金、鎂鋰合金須通過表面技術改善其本征耐蝕性［8］。

航天器對輕型結構設計提出了新的需求，例如新型再入式充氣結構、出艙的氣閘艙、大型天線等，需要新型的柔性結構材料。柔性膨脹充氣展開結構以及柔性帆體結構，相對于剛性結構，具有結構簡單、質量輕、發射體積小、結構效率高等突出優點，可作為新一代艙體的優選方案［9］。考慮到柔性膨脹充氣展開后將承受一定的內壓，同時還須考慮所經歷的空間環境，因此有必要開展適應空間環境的膨脹充氣展開的結構材料體系研究。膨脹充氣結構一般由多層材料復合構成，基本分為抗輻照、空間碎片及微流星體防護層、氣密層、增強層等。抗輻照層主要由玄武巖纖維布與聚酰亞胺泡沫構成，用于抵抗輻照、原子氧剝蝕和超高速空間碎片及微流星體撞擊；氣密層主要由聚氨酯薄膜材料構成，透氣率應盡量小；增強層主要由Kevlar纖維、聚酰亞胺纖維等構成。

未來空間太陽能電站將基于柔性反射陣實現在有效的質量載荷和包絡下獲得更大的光照面積，實現更多的能源轉化。長壽命高反射率（反射率≥92%）薄膜（面密度≤0．01kg/m2）材料是太空發電站聚光系統的基礎材料，對空間太陽能的高效收集具有重要作用。聚光薄膜材料的選擇，要綜合考慮空間輻射造成的有機材料性能的退化、周期性高低溫環境造成的材料尺寸不穩定等影響因素。不僅要求膜材具有良好的韌性、柔軟性及一定的機械強度，還要求膜材具有良好的溫度穩定性和化學穩定性。

4．2 航天器熱控技術對材料的需求

我國航天器的發展對空間熱控技術在絕熱、導熱和智能熱控等方向提出了更為苛刻的技術要求。星表熱控材料/涂層，通過有效控制與空間環境的輻射換熱，達到保持星體溫度的作用。此類材料在艙外帶電粒子、紫外（UV）輻射、原子氧、高真空、污染物以及空間碎片的環境下，須要具備抗空間環境的能力，以維持可靠的紅外半球發射率和太陽吸收比等關鍵性能參數［10］。另外，為滿足航天器輕量化要求，目前廣泛應用的多層組件（面密度約0．4kg/m2）、OSR（面密度約1．5kg/m2）等材料須要開展輕量化替代工作。未來，隨著空間任務的復雜化，空間可調相變智能熱控材料將是航天器更為靈活、節能的新型被動熱控技術的新突破［11］。

高熱流密度是未來航天器熱控技術的突破點。例如，國內下一代星載相控陣雷達天線某單機熱流密度在100W/cm2以上。其中，高導熱熱控材料是高熱流密度熱控系統中的一項關鍵技術，它可以有效降低高熱流密度傳熱過程中的各種熱阻，使集中的熱量迅速擴散至熱沉，且自身具有較低的比重，可以提高材料熱導率的同時，進一步減輕結構體積和質量。此外，為加強導熱性，傳熱界面會使用強化界面導熱填料。目前國內航天器一般使用導熱硅脂，此時設備與擴熱板、冷板等接觸界面的工程換熱系數一般為1000W/（m·K）左右，而國外的部分導熱填料，界面的工程換熱系數已達到5000W/（m·K）。高導熱結構材料及相應導熱界面填充材料是解決未來航天產品熱控技術的基礎材料。

隨著航天技術的進一步發展，不論是建立空間站、中繼站，還是開展載人深空探測，都對低溫推進技術提出了需求。航天器在軌服役過程中，須解決低溫推進劑在空間高溫環境和微重力環境的蒸發問題，實現低溫推進劑在軌可靠性貯存是保障深空探測、宇航員安全和探月再入返回等空間任務的前提。低溫推進劑貯箱用高效絕熱材料是控制推進劑蒸發量的關鍵。以氣凝膠、聚酰亞胺泡沫、薄膜為基礎的多層隔溫材料，可變密度多層材料，以及蒸汽冷卻屏等關鍵材料是低溫推進技術在軌應用的基礎［12］。

4．3 天線、光學相機等載荷分系統對高精度材料的需求

隨著航天器任務的日益增多，在遙感、通信、導航、深空探測領域中，天線、光學相機等載荷產品在大尺寸、大口徑、輕質量、高靈活度、高精度等方面要求越來越高，對材料的熱、力穩定性以及耐空間環境性能提出了更高的要求［1314］。然而，受太陽輻射產生的溫度交變環境及星上大功耗設備散熱的影響，對于結構形面及位置精度要求嚴格的設備，比如大型天線及各類遙感相機等，易產生較大結構熱變形，從而帶來載荷參數的超差或偏離，影響載荷穩定性。在天線反射面及其支承結構、遙感載荷及其支承結構研制領域，均須要解決結構熱變形抑制問題［15］。航天器結構熱變形抑制技術對低膨脹結構材料、低應力蠕變材料和高導熱材料提出了迫切需求。

此外，柔性或可展開式結構是空間大型載荷結構的發展趨勢。諸如多頻共用天線、平板拋物面天線、大型展開天線、柔性天線、充氣天線等新技術在衛星中應用，輕量化、柔性化的纖維材料、柔性薄膜材料、形狀記憶材料發展將成為新的需求。例如，歐洲航天局/歐洲空間研究和技術中心（ESA/ESTEC）為歐洲移動通信衛星研制的一種反射器為直徑12m的帆式膜面展開天線，它采用了預浸處理的方法將天線薄膜材料預浸一層聚烯類材料，使其在地面時天線是柔軟的，入軌后天線充氣，在空間環境下薄膜自行硬化成剛性體，從而大大提高了天線反射面剛度。大型、柔性天線為滿足Ka頻段和W頻段對高精度的要求，應用于天線形面保持的網面材料，提出了在±150℃溫度范圍內，在一定的力學加載環境下，具有低膨脹系數、抗蠕變性能以及良好的尺寸保持特性。與此相應的熱變形控制技術、天線高精度方向控制技術、新型網面材料研究成為新的課題。

空間光學載荷將向大口徑、輕量化、復合化方向發展，需要光學材料、結構材料具備高比剛度、高導熱率、低膨脹系數以及良好的尺寸穩定性。為有效解決整體式大口徑光學零件的精度和重量問題，須要解決大尺寸碳化硅反射鏡、大尺寸鈹鏡等關鍵材料的成型。而為了實現大口徑光學零件的高精度穩定支撐，迫切須要解決高性能碳/碳化硅復合材料、高導熱高模量碳纖維、鋁基陶瓷增強復合材料及Ti－Al金屬間化合物等材料的制備和應用技術。此外，新型衍射成像光學系統也提出了超材料、衍射薄膜等先進材料的需求。

4．4 推進分系統對耐高溫材料的需求

我國航天器推進系統為提高推力效率和比沖能力，對推力室、噴注器、噴管、喉部等關鍵部組件材料的耐高溫性能提出了新需求。其中，為滿足我國推力器在液體和電推進領域的發展需求，耐高溫材料及其成型工藝的發展是推動我國航天推力器發展的重要基礎。耐1800℃高溫下抗氧化性能優異的合金材料，在1400～1500℃范圍內具有良好的抗蠕變性能的陶瓷材料，以及能夠滿足同種或異種高溫合金的高溫Pt基和Au基焊接材料成為宇航材料發展的新需求。

4．5 宇航元器件國產化對新型電子材料發展的需求

宇航元器件國產化所涉及的電子材料將從結構電子材料和功能電子材料兩個方向提出新的發展要求。結構電子材料，即能承受一定的壓力和重力，并能保持尺寸和力學性能穩定的一類材料，用來制作元器件的外殼、基片、框架、散熱片，以及用于加固和封裝等。此類材料需要在具有一定的力學強度基礎上兼顧高熱導率、小尺寸、高精度、優異絕緣性能、低膨脹率、加工溫度低、工藝性好等綜合性能。

作為功能型電子材料，例如光電轉換材料，對外界電、磁、光、熱、壓力、氣氛等選擇性做出反應的敏感材料，為提升材料環境敏感性及適應性，要求其工作性能穩定，環境耐受性優良等。

4．6 未來空間技術發展對材料技術發展的思考

我國未來空間太陽能電站、深空探測技術的發展，以納米技術、量子技術、高溫超導技術、核能技術、智能結構技術、薄膜高效太陽能技術為主要標志的新技術發展，將使空間技術和應用技術得到革命性的提升。新材料技術將是保證我國未來空間科學技術發展的堅實基礎。新材料技術在空間功能納米傳輸材料、高效熱導材料、光電轉換材料、超導材料、空間儲能材料、智能復合材料、可自修復材料、可調相變材料、在軌3D打印等領域得到新的突破，能夠滿足空間長期在軌高低溫循環、空間射線輻射環境、空間高真空環境等特殊工況下，實現材料功能特性和在軌穩定應用。

5 結束語

隨著我國空間任務的發展，種類繁多，功能復雜，聯合組網等成為未來我國航天器發展的新態勢。其中，星間配合完成任務、系列化航天器多模式應用、深空或復雜軌道服役等新任務特點將促使航天器產品在載荷和平臺系統上提出高性能、高穩定、長壽命、高可靠、高功能密度的指標要求。材料作為所有宇航產品的基礎元素，發揮著結構支撐、傳輸載體、能量通道、阻隔屏蔽等多樣工程特性的作用。積極研究并開發能夠滿足空間工作環境、在軌穩定的高性能材料，將是促進我國航天器發展的堅實后盾。

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（編輯：李多）

Review on Requirement of Materials Technology for Development of Chinese Spacecraft

LI Ming
（China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

This paper analyzes the features and future developments of spacecraft projects of China，especially considering the long on－orbit life－time requirements of deep space exploration，human spaceflight，development of platform and payload capability，space solar power station，etc．The development demands and prospect are advanced for new materials such as the structure material，thermal control material，functional material，electronic material used on spacecraft and so on．

spacecraft；material；requirement

V45

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．001

2016－02－29；

2016－03－10

李明，男，博士，研究員，博士生導師，國際宇航科學院院士、俄羅斯宇航科學院院士，現任中國空間技術研究院副院長，主要從事空間技術研發、發展戰略研究等方面工作。Email：htq501@139．com。