航天器用高性能纖維編織繩索研究進展

丁 許， 孫 穎， 羅 敏， 王興澤， 陳 利， 陳光偉

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387； 3. 北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094)

隨著纖維制備技術的發展，芳香族聚酰胺纖維、聚芳酯纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維等高性能有機纖維的綜合性能得到了進一步提升。高性能纖維編織繩索具有輕質、高強高模、耐磨、可設計性強、易加工等優點，在眾多領域成功替代金屬繩索，倍受空間探測和新型航天器輕量化結構設計研究人員的青睞。20世紀60年代，美國國家航空航天局(NASA)開始利用高性能纖維編織繩索的獨特性能開展空間系繩實驗任務，發現了編織繩索在人工重力、航天器軌道保持和空間繩系機器人等領域的應用潛力[1]。隨著空間站機組人員開始執行長期任務，跑步機隔振穩定(TVIS)系統、臨時阻力運動裝置(IRED)等高級鍛煉裝置的阻力繩索為航天員的健康和執行特定任務提供了保障[2]。

近年來，網狀可展開天線、熱刀壓緊釋放裝置等航天器結構輕量化對高性能纖維編織繩索的需求越來越迫切[3-4]。相對于空間系繩，網狀可展開天線和熱刀壓緊釋放裝置對編織繩索的尺寸和性能穩定性要求更高。在長時間服役過程中，編織繩索在真空、高低溫交變、輻射、原子氧等空間環境下的蠕變和應力松弛行為，成為其發展和應用的關鍵因素。

本文從芳綸、聚芳酯、超高分子量聚乙烯、聚酰亞胺纖維的性能特點和適用范圍出發，簡要介紹了高性能纖維編織繩索在空間系繩、桁架式網狀可展開天線、熱刀壓緊釋放裝置3種航天器結構輕量化場景中的應用現狀，以編織繩索蠕變和應力松弛行為研究為基礎，對需要進一步深入研究的問題提出建議，以期推動高性能纖維編織繩索在航空航天領域的應用。

1 高性能有機纖維

高性能纖維具有特殊的物理和化學性能，在國防、軍工和航空航天等領域占有重要地位，是一類重要的戰略物資。根據化學成分的不同，高性能纖維可分為無機和有機二大類。與以碳纖維為代表的無機纖維相比，有機纖維具有較好的耐磨性和可織性，因此，大部分繩索由有機纖維制成。有機高性能纖維主要包括以芳綸、聚芳酯和聚酰亞胺為代表的芳香族類纖維和以超高分子量聚乙烯為代表的烯烴類纖維[5]。

芳綸的全稱為芳香族聚酰胺纖維[6]，最突出的優點是170 ℃高溫下仍保持優異的力學性能。芳綸增強復合材料可用于雷達天線罩、火箭整流罩和發動機殼體等，在提高性能的同時有效地降低結構質量。但芳綸與樹脂或橡膠基體的界面結合強度有待提高，等離子體、生物酶等多種方法的協同改性是未來的主要發展方向之一[7]。

聚芳酯纖維的全稱為液晶聚芳酯(LCP)纖維，由4-羥基苯甲酸和2-羥基-6-萘甲酸縮聚而成。與芳綸相比，聚芳酯纖維具有優異的抗蠕變性能和化學穩定性[8]。聚芳酯纖維曾用于勇氣號和機遇號火星車的著陸緩沖氣囊以及好奇號火星車的著陸制動器繩索[9-10]，未來有望應用于火星服、充氣式著陸減速器和居住艙等火星探測裝備[11-12]。但聚芳酯纖維經紫外線照射后會出現明顯的性能退化，限制了其在平流層飛艇等空間充氣式結構的應用[13]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維由聚乙烯單體聚合而成，相對分子質量在350萬～750萬之間[14]。UHMWPE纖維密度僅為0.97 g/cm3，其比強度可達到370 cN/tex，是目前比強度最高的有機纖維。UHMWPE纖維常應用于輕便的防彈材料和海洋繩纜。由于其分子鏈之間的作用力較弱，在高溫和外力作用下極易產生變形，因此，UHMWPE纖維蠕變改性是近年來的研究熱點之一[15]。

聚酰亞胺(PI)纖維主要由二酐和二胺2種單體合成，分子中包含大量與酰亞胺鍵連接的芳香族基團，因此，聚酰亞胺纖維具有出色的熱穩定性、耐輻射和介電絕緣性能，常用于航天器輕質隔熱材料、結構材料與輻射防護材料等[16]。近年來，隨著高強高模PI纖維的發展，其強度和模量均優于芳綸，在航天器承力結構中具有巨大的應用潛力[17]。

綜上所述，芳綸具有突出的高溫力學性能，適用于高溫應用場景。與芳綸相比，聚芳酯纖維具有優異的抗蠕變性能，適用于長期負載工況。超高分子量聚乙烯纖維具有非常優異的拉伸強度，但是對高溫和載荷非常敏感。聚酰亞胺纖維的耐輻射性與熱穩定性非常突出，是代替芳綸的理想材料之一。4種高性能有機纖維的性能特點為滿足編織繩索選用纖維材料的需要提供了保障。表1示出4種高性能有機纖維的主要品牌及性能。

表1 高性能纖維性能參數Tab.1 Properties of high performance fibers

2 編織繩索的幾何結構

纖維通過捆扎、加捻或編織在一起成為張力單元的纖維集合體均可稱為繩或繩索。美國根據傳統定義對不同直徑(D)的繩索進行命名并統稱為Cordage[23]。

編織繩索由沿順時針和逆時針2個方向運動的編織紗彼此交織而成，按照外觀形態可分為管狀編織繩索和帶狀編織繩索(編織帶)[24]。在編織機上，編織紗沿“8”字形曲線軌道作循環運動可得到管狀編織繩索，編織紗曲線軌道末端改變運動方向并往復運動可得到帶狀編織繩索，其運動路徑和基本結構如圖1所示。管狀編織繩索按照中心結構的不同又可分為中空編織繩索、雙層編織繩索和包芯編織繩索。通過在中空編織繩索外部重復編織可形成雙層編織繩索，雙層編織繩索的芯部和外層編織繩索可共同承擔載荷。包芯編織繩索的芯部主要由平行排列或加捻的股線制成，以最大程度提高繩索的強度和剛度；外部的編織層為芯部紗線提供良好的磨損防護功能[25-26]。制備工藝決定了編織繩索是多層次的纖維結構集合體，宏觀上主要有中空、雙層、包芯和帶狀4種結構，細觀上是從纖維單絲、纖維束、編織紗到多樣的編織結構，為滿足特定工程應用提供了靈活的可設計性。

圖1 編織繩索紗線運動路徑和基本結構Fig.1 Motion path of braid yarns and structures of braided cordage.(a) Hollow-braid cordage; (b) Braid tape

3 編織繩索在航天器中的應用

編織繩索作為關鍵部件在航天器中的應用場景主要有3種：空間系繩、桁架式網狀可展開天線和熱刀壓緊釋放裝置。具體而言，空間系繩通過釋放和回收系繩完成微重力實驗、航天器軌道控制和太空發電等復雜的科學研究任務。桁架式網狀可展開天線采用繩索相互交織形成的索網結構大大降低其質量，進一步提高天線的口徑和展收比，是實現星載可展開天線大型化的途徑之一。熱刀壓緊釋放裝置由編織繩索和陶瓷熱刀組成，繩索熔斷時沖擊小、無污染，可有效降低太陽翼等可展開結構解鎖過程對航天器精密部件的沖擊。

3.1 空間系繩

空間系繩是利用幾公里甚至幾百公里長的繩索，將衛星、空間站、飛船等航天器連接在一起構成的飛行系統。早期的空間系繩主要用于開展人工重力、航天器軌道控制和太空輻射測量等實驗[27-28]。隨著研究的深入，電動力系繩被提出[29]，空間系繩在太空發電、繩系機器人、繩系交會對接、軌道垃圾回收等方面的應用價值被發現。NASA、意大利航天局(ASI)和日本空間科學研究所(ISAS)等航天機構開展了一系列的在軌應用實驗，驗證空間系繩技術的可行性，如表2所示。

表2 空間系繩實驗任務Tab.2 Space tether missions

從表2可以看出，除一些需要將銅或鋁嵌入系繩作為導電材料的電動力系繩外，大部分系繩由芳綸、超高分子量聚乙烯等高性能纖維材料制成，實現了系繩質量和強度之間的平衡。但近地軌道空間環境中存在原子氧、紫外線和大量空間碎片，系繩的安全性及可靠性成為系繩任務成敗的關鍵因素。有研究表明：質量和長度相同的扁帶系繩遭受致命撞擊的概率要低于管狀系繩；且紗線數量較多的系繩能夠抵御更多空間碎片的撞擊[39-40]。一方面，在系繩質量和體積一定的情況下，通過合理設計系繩的編織結構與工藝參數，可提升系繩的強度和抗沖擊性能。另一方面，可選擇TiO2、鎳等涂層材料以降低系繩在經受原子氧侵蝕和紫外線輻射后的力學性能損失[41]。

3.2 桁架式網狀可展開天線

桁架式網狀可展開天線的反射面由柔性金屬網和編織繩索相互交織形成的索網構成，索網結構在一定程度上解決了天線口徑和質量之間的平衡問題，滿足星載天線輕量化和大型化的需求，因此，桁架式網狀可展開天線是星載可展開天線最常用的形式。根據索網邊界支撐結構的不同，桁架式網狀可展開天線衍生出不同的結構形式，例如日本MUSES-B衛星的張力桁架可展開天線[42]、日本ETS-VIII通信衛星的構架單元可展開天線[43]和美國Thuraya系列通信衛星的環形桁架可展開天線[44]等。

由于桁架式網狀可展開天線發射前處于收攏狀態，衛星入軌后需要對編織繩索施加一定的預緊力(< 100 N)， 才能使索網形成滿足工作要求的形狀和剛度[45]。索網結構的穩定性直接決定了天線輻射效率、增益等電磁性能，但索網結構的形面精度受繩索預緊力及變形、制造和裝配誤差等多種因素的影響[46]。其中繩索長時間服役時產生的蠕變和應力松弛是導致索網結構發生變形的直接原因[47]，如圖 2所示。需要在天線設計初期對編織繩索在預緊力和空間環境下的蠕變、應力松弛特性進行詳盡分析，然后在索網結構設計和制造中進行補償。由于目前天線在軌“主動”控制調整索網形面還處于概念設計階段，上述“被動”的方法仍然是提高桁架式網狀可展開天線精度最可靠的方法。

圖2 天線索網結構變形Fig.2 Deformation of cable net antenna

3.3 熱刀壓緊釋放裝置

壓緊釋放裝置(HDRS)是實現航天器和附件之間連接，入軌后又按規定要求解除約束的機械裝置[48]。與傳統火工HDRS裝置相比，熱刀HDRS具有顯著的優勢。20世紀90年代，荷蘭福克空間與系統(FSS)公司開發了由Kevlar編織繩索和陶瓷熱刀組成的HDRS(見圖3)，用于太陽翼、空間可展開天線、防護罩等航天器可展開結構和太空附屬物的鎖緊釋放。美國EOS-PM衛星、歐洲航天局(ESA)ENVISA衛星、浙江大學皮星二號衛星和國防科大天拓一號衛星均成功應用了該項技術[49-51]。

圖3 熱刀壓緊釋放裝置Fig.3 Thermal knife holding and release device

熱刀HDRS的釋放是航天器在軌的一次性動作，要求在規定時間內完成，因此，編織繩索的熔斷溫度和張力是熱刀HDRS研制過程中重點關注的問題。由于Kevlar纖維的熔點高達560 ℃，熱刀熔斷繩索需要耗費較多時間和能量。荷蘭FSS公司嘗試使用熔點較低的超高分子量聚乙烯繩索替代Kevlar繩索，但超高分子量聚乙烯繩索的預緊力在9個月后下降約70%，嚴重影響了繩索的熔斷效率[52]。荷蘭航天局(Dutch Space)也對此進行了深入研究，他們認為順利完成熔斷過程需要保證繩索中張力至少為預緊力的50%[53]，因此，考慮到超高分子量聚乙烯纖維的蠕變特性，目前熱刀HDRS的繩索材料主要采用Kevlar纖維。

另一方面，編織繩索作為熱刀HDRS的主要承載單元，除了要保證被鎖緊結構處于合理的收攏狀態，還要能夠承受地面運輸、航天器發射時的載荷環境[54]。所以編織繩索組件的連接可靠性往往是影響整個航天器安全性的重要因素之一。熱刀HDRS繩索組件的連接方式主要包括閉合繩索、盆栽式固化和錐銷連接3種[55]。其中，閉合繩索可最大程度利用繩索的強度，但同時會增加繩索組件的體積和質量；盆栽式固化連接方式對樹脂的熱穩定性、蠕變性能以及與繩索材料的界面結合強度有很高要求；因此，錐銷連接是目前熱刀HDRS繩索組件最可靠的連接方式。但由于錐銷連接方式是利用錐銷與纖維之間的擠壓和摩擦作用實現鎖緊，繩索組件連接部位的紗線會產生應力集中[53]，而且可能受到纖維在銷孔內分布狀態和編織結構的影響，所以編織繩索組件的連接強度有待優化與提高。

4 編織繩索的蠕變和松弛行為研究

由于芳綸、聚芳酯等合成纖維材料固有的粘彈性，合成纖維繩索在載荷作用下表現出明顯的時間依賴性，如蠕變和應力松弛行為。在真空、高低溫交變和紫外線輻射等復雜的空間環境影響下，繩索的蠕變和應力松弛行為變得更加復雜。NASA開展了大量的實驗研究工作，分析了纖維材料、環境條件、載荷水平等因素對編織繩索蠕變與應力松弛行為的影響[56-58]。研究發現，芳綸編織繩索蠕變和應力松弛過程分為初始、穩態和加速3個階段：其中穩態蠕變應變與時間成線性關系；初始階段與穩態階段的應力松弛率均與時間呈線性對數關系，且初始階段的松弛率約為第2階段的1.4倍；在50%拉伸強度(UTS)載荷水平下，芳綸編織繩索的蠕變率約為聚芳酯編織繩索的4倍。丁許[59]研究表明在25% UTS載荷水平下，芳綸編織繩索在40 d內的松弛率約為聚芳酯纖維編織繩索的2.13倍，說明在相同載荷條件下，聚芳酯編織繩索比芳綸編織繩索具有更好的抗蠕變和應力松弛性能。李偉[60]以Fette等[56]的研究為基礎，建立了聚芳酯編織繩索的蠕變和應力松弛方程，預測了繩索在交變溫度環境下的蠕變和應力松弛行為，預測結果與實驗結果具有良好的一致性。

在蠕變加速階段，編織繩索的塑性應變快速增加，最終導致失效的發生。NASA蘭利研究中心研制了一套集成加熱和冷卻系統的新型蠕變實驗裝置，研究了聚芳酯編織帶試樣在受控環境條件下的蠕變行為壽命[61-63]。結果顯示，2種長度的聚芳酯編織帶試樣的蠕變規律并無明顯差異。在交變溫度條件下，聚芳酯編織帶穩態蠕變階段內的蠕變行為與溫度的變化規律一致，但較高載荷水平(>50% UTS)可消除交變溫度對蠕變行為的影響，因此，編織帶的蠕變行為主要與載荷水平和溫度有關。除此之外，載荷水平對編織帶的蠕變壽命具有重要影響，編織帶在65%UTS載荷水平下的蠕變壽命約為70%UTS載荷水平下的12倍。NASA計劃在未來開展載荷水平小于50%UTS的蠕變實驗，量化高溫低交變、真空和蠕變載荷等因素對聚芳酯編織帶蠕變壽命的影響，對預測太空居住艙(Transhub)的蠕變行為和壽命具有重要意義。由于極性基團可與水分子締合形成水合物，因此，高性能纖維的力學性能在一定程度上受吸濕性的影響。楊惠杰[64]研究了聚酰亞胺編織繩索在不同濕度條件下的蠕變和應力松弛行為。結果顯示，編織繩索在相對濕度為95%環境中的穩態蠕變速率約為相對濕度為60%環境中的2倍；真空環境中，編織繩索的松弛率遠低于常溫常壓和水浸漬環境下的松弛率。這可能是由于水分子可與聚酰亞胺分子中的酰胺基結合，導致聚酰亞胺分子鏈之間氫鍵破壞，因此，濕度環境會增加親水性纖維(如芳綸)的應力松弛率。

蠕變和應力松弛測試是一個非常耗時的過程，而且需要特殊的實驗裝置才能提供長期恒定的載荷或應變，基于短期實驗測試開發的理論模型可有效降低實驗測試成本：Tang等[65]基于 Schapery非線性黏彈性本構模型建立了繩索應力松弛方程，并利用Prony級數推導階躍載荷作用下繩索的蠕變-恢復本構模型，為網狀可展開天線索網結構的設計和優化提供了理論支撐，但模型沒有考慮到繩索的黏塑性行為；Huang等[66]結合Schapery模型和Owen黏塑性理論建立了線性本構模型，預測芳綸和聚酯纖維繩索的蠕變-恢復行為，模型的計算結果與實驗結果相吻合，但其適用性有待檢驗，有望推廣到尺度更小的纖維幾何體，如股線和紗線；Lian等[67]基于熱力學建立了黏彈性、黏塑性和黏滯損傷蠕變模型，模型計算結果與高模量聚乙烯(HMPE)繩索在不同載荷水平下的蠕變測試數據具有較好的一致性，該模型可有效模擬HMPE繩索的蠕變斷裂行為，但忽略了編織結構對繩索蠕變行為的影響。目前，這方面的研究還處于初步探索階段，模型的適用性有待檢驗。

5 結束語

高性能纖維編織繩索具有優異的力學性能和可設計性，在空間系繩、網狀可展開天線、熱刀壓緊釋放裝置等航天器可展開結構中得到了廣泛應用。編織繩索的蠕變和應力松弛行為研究也取得了實質性的成果，為編織繩索在太空居住艙等充氣式空間結構中的應用提供了有效支撐，但仍存在一些亟待解決的關鍵問題。

1)編織繩索發生蠕變和應力松弛的本質是在載荷作用下纖維材料的分子構象發生了改變，由于材料獨特的分子結構，表現出不同的黏彈性響應。高性能纖維在載荷、溫濕度、真空、輻射、原子氧等多因素耦合條件下的蠕變和應力松弛行為有待系統化研究。

2)編織繩索是多層次的纖維集合體，目前尚未建立紗線加捻、編織結構等因素與編織繩索蠕變和應力松弛行為之間的聯系，有必要建立理論模型和開展大量實驗去分析。

3)編織繩索與其他部件的連接效率有待優化與提高，特別是針對錐銷連接方式，編織繩索組件的連接強度與編織結構之間的聯系需要進一步探索。