3D編織技術提升宇宙飛船和賽車性能

3D編織技術提升宇宙飛船和賽車性能

3D Weaving Technology Strengthens Spacecraft, Race Cars

起源于幾千年前的編織工藝技術催生了美國國家航空航天局（NASA）“獵戶座”飛船上一些最尖端的技術，或將在宇航員往返火星的路途中為其提供熱防護。

當“獵戶座”飛船脫離地球軌道，向太空深處進發時，其速度必須足夠快，這會產生大量的熱量；同樣，當其返回地球時，也是一路疾馳，當飛船再入地球大氣層并減速至安全著陸時，其會與大氣層摩擦產生高溫。

對于“獵戶座”的設計工程師來說，“獵戶座”飛船熱防護系統每個部分的制造都特別具有挑戰性：其不僅要具有優異的隔熱性能，還要具有很高的結構強度。NASA埃姆斯研究中心3D多功能燒蝕熱（3D-MAT）防護系統的技術主管、材料工程師杰伊·費爾德曼（Jay Feldman）解釋說：“大多數的熱防護系統采用低密度的材料制成，這些材料具有良好的隔熱性能，能夠起到較好的熱防護作用，但是，其結構強度較低。但是，在熱防護系統的表面上，有一些部位必須將乘員艙及其服務模塊連接起來，并最終連接到火箭上。在這些部位，就必須使用結構強度高且非常堅固的材料?！?/p>

研究人員采用鋼和碳纖維復合材料開發了一種圓盤狀的連接材料，稱為“壓縮板”，用于2014年底開展的“獵戶座”首次低地球軌道測試飛行。但不幸的是，這種“壓縮板”的隔熱性能不足。杰伊·費爾德曼說：“對于‘獵戶座’首次飛行測試而言，其熱傳導情況還是可控的，但是，一旦要開展更遠距離的太空探索，或者飛船要以更快的速度返回大氣層，溫度會變得更高，這種熱防護板向飛船傳遞的熱量就會過多，從而造成飛船過熱，威脅宇航員和設備的安全?！?/p>

幸運的是，埃姆斯研究中心的杰伊·費爾德曼和其他工程師已經與高科技紡織企業美國Bally Ribbon Mills公司開展了合作，聯合研發新一代熱防護材料。雙方通過合作，將傳統的梭織機編織技術升級成適應新時代需求的技術，并開發了一種3D編織石英纖維復合材料。研究人員很快意識到，這種材料非常適用于制作“獵戶座”飛船的熱防護“壓縮板”。

與此前采用二維編織材料疊層制造的“壓縮板”不同，埃姆斯研究中心和Bally Ribbon Mills公司的研究團隊發現，采用3D編織復合材料具有更大的優勢。杰伊·費爾德曼解釋說：“由3個方向編織而成的纖維結構非常牢固，同時，研究人員還能夠對這種復合材料的成分進行調整，降低其熱傳導系數，獲得更好的隔熱性能?！?/p>

Bally Ribbon Mills公司位于美國賓夕法尼亞州巴利市，是美國領先的高科技二維和三維紡織品制造商，其客戶包括美國空軍、一級方程式賽車隊和生物醫藥公司等。該公司是NASA“獵戶座”熱防護系統項目的理想合作伙伴。

NASA進入系統和技術部的項目經理和首席技術專家Ethiraj Venkatapathy說：“在NASA，我們開展了很多方面的專業研究，積累了大量的科學知識，但尚未開展紡織技術方面的研究。紡織技術是一門古老的藝術，紡織工業的歷史比NASA的歷史要長得多。”

Bally Ribbon Mills公司的紡織技術可以追溯到1923年，是一家以編織絲綢帽帶起家的家族企業。Bally Ribbon Mills公司的第四代經營者馬克·哈瑞思（Mark Harries）解釋說：“當初，祖輩創業時只是想開創一項事業，生產的是當時流行的材料——絲綢。家族的第二代——我的曾祖父接手公司后，繼續開拓業務，開始使用人造纖維進行紡織。隨著紡織行業的不斷進步，許多紡織廠家轉移到海外，附近的紡織工廠不斷關閉，但Bally Ribbon Mills公司始終在進步。隨后，家族的第三代——我的父親和我的表兄弟接手了公司。公司開始采用新的纖維材料、新的機械設備制造更多的產品。自此，我們也開始雇傭工程師，以及使用計算機來追蹤和記錄生產和銷售數據。也是在那時，Bally Ribbon Mills公司找到了自己的定位。為了保持公司的發展和經營勢頭，公司開始越來越多地開展小批量、定制化的產品開發業務，如與NASA合作開展的項目等。”

借助于來源于埃姆斯研究中心的種子基金，NASA和Bally Ribbon Mills公司開始為熱防護系統構建3D編織原型。在早期研發取得了進展和突破后，Ethiraj Venkatapathy和杰伊·費爾德曼從NASA空間技術任務理事會和小企業創新研究計劃（SBIR）獲得了額外的資金支持。當NASA和Bally Ribbon Mills公司意識到該項技術能夠解決“獵戶座”飛船的“壓縮板”問題時，NASA的“改變游戲規則的技術發展計劃”也為其提供了資金支持。

Bally Ribbon Mills公司的高級紡織工程師Curt Wilkinson解釋說：“NASA所需的織物比Bally Ribbon Mills公司以往生產的紡織品的厚度更大。Bally Ribbon Mills公司生產的紡織品的極限厚度是5.08cm，而NASA需要的織物的厚度要達到7.62cm，因此，我們需要改進紡織工藝，設計特殊的紡織設備，以獲得滿足要求的產品。NASA還要求在3個方向上都有相同數量的纖維，以提高抗壓強度。”

Bally Ribbon Mills公司與NASA的合作，以及研發出的材料在NASA獲得了一系列的好評。NASA局長查爾斯·博爾登在2015年1月訪問了這家工廠，并對他們的工作進行了肯定。他稱：“從現在開始，奔向火星的道路是通過Bally Ribbon Mills公司實現的?！?/p>

Bally Ribbon Mills公司采用的技術稱為“3D正交編織工藝”，在這種技術中，纖維在3個方向上相交垂直，且是完全垂直的。杰伊·費爾德曼說：“這是目前能夠生產出的最牢固的3D織物技術?！?/p>

Curt Wilkinson說：“這些纖維由絕熱性能優異的石英制成，并同時擁有良好的介電性能，能夠傳輸電信號。其最終產品類似于磚塊，但其中包裹了許多纖維。在其開發過程中，很多時候，我們不確定是否能夠編織出滿足要求的纖維材料。這些纖維材料編織完成后，就會被送到另一家公司，注入樹脂進行固化，并將編織留下的孔洞填滿，獲得纖維增強復合材料，然后再加工成最終的形狀?！?/p>

Ethiraj Venkatapathy說：“這種3D復合材料的設計非常精巧，可作為結構材料使用，可作為熱防護系統使用，也可作為振動吸收材料，還可承受負荷。我認為，這種材料及其設計工藝具有廣泛的用途。該材料已在一個非常復雜的領域獲得了應用驗證，通過簡單的方案改進，滿足了項目要求。在用于執行載人火星探索和其它復雜的載人探索任務的同時，我們還可以將其擴展應用于其它領域?！?/p>

“獵戶座”飛船的設計師已經在探討飛船上其它可能使用3D-MAT材料的部位。除了NASA，政府機構和航空航天企業，包括美國國防部，也對熱防護系統產生了興趣。杰伊·費爾德曼指出：“基于與NASA合作開展的這項工作，這些機構和企業已經在資助Bally Ribbon Mills公司發展新的項目?！?/p>

為NASA“獵戶座”研發開展的工作，也擴充了Bally Ribbon Mills公司的產品線，使得該公司能夠向其長期客戶提供目前使用更為廣泛的材料，如碳纖維材料，因為該公司設計的新設備能夠進行厚度更大、密度更高的纖維編織工作。例如，一級方程式公司正在評估Bally Ribbon Mills公司的樣品，他們認為：“該技術擴展了3D正交編織技術能夠制造的部件的尺寸。過去，該技術的紡織厚度極限為5.08cm，而目前7.62cm的厚度則為汽車應用提供了更多機會?！?/p>

雖然該技術在高科技外衣包裹下的核心工藝仍與20世紀20年代使用的梭織機的原理相同，但這仍是一種發展。因為，在賓夕法尼亞州中部的大部分紡織廠已經倒閉的情況下，該公司仍保留著近300個工作崗位。Curt Wilkinson說：“紡織工藝歷史悠久，已經延續了上千年。在傳統紡織工藝基礎上，我們引入了現代電子元件，并建立和整合了公司自主研發的收線加工系統。通過采用這種古老的紡織工藝，我們現在正在編織用于火星探索的纖維材料。”

(唐 甜)