剛性基體高應變復合材料在空間可展結構中的應用及發展

賈文文 濮海玲 劉穎 任守志 管帥

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

對于航天器工程來說，空間可展結構具有設計輕巧緊湊的特點，有利于航天器設計效率的提高，緊湊的結構減小了發射所需空間，同時質量的減輕降低了與發射燃料相關的成本［1-2］，因此20 多年來一直被人們所關注［1-4］，并不斷地改進和發展。早期多采用銷軸式鉸鏈、電機等機械方法實現結構的可擴展性，后通過材料變形來折疊結構，從而避免機械方法的復雜性和質量限制，最初使用金屬材料，后來則更多使用更高效、更輕的復合材料［5-8］。2017 年，美國DSS 公司研制的全柔性太陽翼（ROSA，Roll Out Solar Array）在軌展開，其采用C 型高應變復合材料展開桿件作為展開機構，顯示了高應變、大變形材料在航天領域強大的生命力和突出的優勢。

高應變復合材料［9］（HSC，High Strain Composite）是薄而柔韌的復合材料，可分為剛性基體（Stiff Matrix）復合材料和柔性基體（Soft Matrix）復合材料。柔性基體復合材料包括形狀記憶、彈性體及可剛化復合材料，一般通過允許柔性基質應變超過100%，同時纖維受到約2%的應變，產生可逆微泡［10-14］，以實現大應變，該過程是可逆的，纖維和基體在每次變形循環中返回基本相同的位置。不同于柔性基體復合材料，剛性基體復合材料通常是增韌熱固性環氧樹脂和高性能連續碳纖維或玻璃纖維的組合，其具有高剛度和大應變的組合特性，通過基體相對剛性纖維的力學變形實現大應變。

本文僅針對高應變復合材料中的剛性基體復合材料在空間可展結構中的應用開展調研，從不同結構形式的剛性基體高應變復合材料出發，探究其研究現狀、亟須解決的問題及未來展望。

1 空間可展結構的定義、分類及發展趨勢

1.1 空間可展結構的定義

空間可展結構是20 世紀60 年代后期，隨著航天科技的發展而誕生的一種新型宇航結構構造物，在發射過程中處于折疊收納（收攏）狀態，入軌后展開鎖定并保持為運營工作狀態［15］。當今許多航天器屬于此類，如通信、氣象、探測等衛星，美國2021 年12月發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的隔熱屏、2022年12月為國際空間站安裝的大型太陽翼ROSA等。

1.2 空間可展結構的分類

空間可展結構的發展經歷了60 余年，為滿足苛刻的空間環境條件與特殊任務需求，誕生了豐富多彩而新穎的結構形式，下面按展開驅動源、結構體系和機構類型對其進行分類概括。

1.2.1 按展開驅動源分類

根據驅動源不同可分為電機驅動、彈簧元件驅動、自伸展驅動以及其他驅動方式，如充氣式展開結構，利用材料彈性回復變形展開的纏繞肋等。

1.2.2 按結構體系分類

空間可展天線、太陽電池陣、伸展臂、空間平臺、遮陽屏、遮光罩等是空間可展結構的主要應用形式。而以上可展結構又存在多種結構體系，以最具代表性的可展天線為例，可分為單元構架式可展開天線、肋類支承式可展開天線以及其他，如充氣式天線、環柱式天線、整體展開天線、平面陣天線等。

1.2.3 按展開機構類型分類

空間展開機構是一般空間可展結構的基本體系，是實現結構機構形態變化、展開折疊的基本元素。根據展開機構的不同可將空間可展結構劃分為如下四種：鉸接可展結構、桿狀可展結構、面狀可展結構和體可展結構。其中鉸接展開機構發展最早，已廣泛應用于各類航天器；桿狀展開機構在展開后通常形成細長管或單向構架，實現空間定位并提供結構支撐，應用廣泛；面狀展開機構包括平面和曲面展開機構，主要用于空間反射器及大面積天線等；體可展機構展開后形成三維幾何體，如可展桁架、碟形天線等。

1.3 空間可展結構的發展趨勢

隨著航天技術的發展，空間可展結構的發展趨于大型化、輕量化、高收納比、低成本及短周期等，例如幾十到幾百千瓦量級的大型太陽翼或小型低成本商業衛星星座太陽翼。面對上述需求，多項關鍵技術需要重點關注，包括：可展結構與衛星平臺的一體化設計、超大型復雜系統的動力學與控制、大型可展結構的地面試驗以及輕量化結構設計中的新材料［16］。

與任何空間可展結構系統一樣，對于剛性基體高應變復合材料可展結構，展開機構可以是電機、其他展開裝置，或剛性基體高應變復合材料自身應變能，對于任何一種展開機制，必須了解剛性基體高應變復合材料的力學行為，以設計足夠的展開裕度以及收攏狀態下的應變裕度，而對于長期處于高應變狀態的可展結構，黏彈性行為必須在高精度預測中加以考慮。

2 剛性基體高應變復合材料的組成及特性

2.1 剛性基體高應變復合材料的纖維和基體

用于空間可展結構的剛性基體高應變復合材料往往需要在高應變狀態下長期收攏而不降低儲存的應變能，因此對于蠕變敏感的纖維不適用，目前廣泛應用的纖維包括：高強度玻璃纖維、PAN 基碳纖維，范圍從標準模量（東麗T300 至T700，Hexcel AS4）和中等模量纖維（東麗T800 至T1000，以及Hexcel IM7至IM10）到高模量纖維（東麗M55J），基體材料為增韌熱固性環氧樹脂。

2.2 剛性基體高應變復合材料的力學特性

上述纖維材料已廣泛應用于各類復合材料及其結構件，較厚的層壓結構通常表現為纖維的壓縮失效，為實現可展結構的折疊，剛性基體高應變復合材料通常設計得很薄，以獲得合理的彎曲應變，研究發現剛性基體碳纖維和玻璃纖維復合材料系統在薄壁結構中彎曲時的失效應變高于厚層壓結構。文獻［9］中對剛性基體高應變復合材料層壓結構和編織結構的力學特性給出了詳細的論述，相較于厚層壓結構，薄板材料中的壓縮纖維具有更高的剪切剛度，而剪切剛度是影響抗壓強度的決定性因素，此外還可以通過改變鋪層形式、纖維類型等進一步提高復合材料的剪切剛度。

2.3 剛性基體高應變復合材料的黏彈性特性

上述低蠕變纖維基體系統在大應變條件下仍表現出時間依賴性效應，此效應通常對應于行為的退化，剛性基體高應變復合材料呈現出的時間依賴性效應，主要源于黏彈性。

參考文獻［17］對材料黏彈性進行了介紹，給出了材料模量與時間的關系，參考文獻［18］考慮了一般復合材料的黏彈性阻尼特性，他們認為復合材料是一種兩相材料，其中一個或兩個相具有黏彈性。在文獻［19-21］中，作者分別對LDPE 帶簧片和以五層超薄T800 預浸料制造的帶簧片進行折疊、存放和動態展開的動態循環，發現其黏彈性效應均表現為：初始緩慢展開，隨后快速展開，但對于在100 ℃的加速溫度下存放3 h 的極端松弛試件，收攏狀態可能變得無法恢復。文獻［22］研究了長期載荷對2、3 和4層單向IM7-8552 纖維試片的影響，發現在室溫條件下收攏60 d，試件發生不受控制的黏彈性變形，最初試件表現為以黏彈性松弛為特征的應變演化，在大約30 d后，響應加速，初步歸因于表面開裂。

黏彈性是許多高應變復合材料應用中的主導效應，會導致承載能力和部件強度降低并引起穩定性變化，然而高應變復合材料的黏彈性并非都是有害的，對于可展結構，黏彈性可以引入阻尼以減小沖擊載荷，從而平滑展開響應，如果允許足夠的時間，真正的黏彈性材料也能夠恢復初始幾何形狀，但對于展開時間要求苛刻，且對展開精度要求高的可展結構，在設計中應考慮黏彈性影響。

3 剛性基體高應變復合材料在空間可展結構中的應用現狀

3.1 剛性基體高應變復合材料鉸接可展結構-帶簧鉸鏈

帶簧是一種薄壁、直的材料條，具有彎曲的橫截面，金屬帶簧多年來一直用作可展開航天器結構的組件［23］，自1998年起，開發了系列柔性復合帶簧鉸鏈，采用嵌入聚醚醚酮（PEEK）基體中的IM7碳纖維或S-2玻璃纖維，典型纖維體積分數60%。最初使用單層鉸鏈，如圖1所示，其可以正向、反向折疊，文獻［24］中作者給出了復合帶簧鉸鏈的恒定力矩表達式，隨后擴展到多層鉸鏈［25］，以在緊湊的體積內提高剛度，圖2顯示了鉸鏈的部分選擇，包括圓形和透鏡狀橫截面［26］。

圖1 帶簧鉸鏈彎曲和反向彎曲Fig.1 Forward and reverse flexure of a spring hinge

圖2 不同尺寸的復合帶簧鉸鏈Fig.2 Compound spring hinge of different sizes

高應變復合材料帶簧鉸鏈適用于各種需要折疊的管件或板件，圖3為美國空軍研究實驗室建造的用于可展開光學支架的一體式鉸鏈光學支撐結構（IHOSS）；圖4 為一多帶簧鉸鏈系統，8 根帶簧鉸鏈安裝于反射器的支撐臂根部，作為驅動機構及鎖定后支撐結構；圖5 為美國宇航局木星冰月軌道器（JIMO）任務開發的一個大型桁架，帶簧鉸鏈用于展開4 塊高溫熱輻射板，須提供大于3.19 N·m 的扭矩來克服散熱器軟管的阻力矩；圖6為兩級展開薄膜遮光罩結構，其采用了100 多個帶簧鉸鏈［27］，完成其在徑向和高度方向的展開。

圖3 收攏和展開狀態的整體鉸鏈光學支撐結構Fig.3 Integral hinge optical support structure in folded and unfolded states

圖4 多臂網狀反射器Fig.4 Dobby mesh reflector

圖5 收攏和展開狀態下JIMO 散熱器桁架Fig.5 JIMO radiator truss in folded and unfolded states

圖6 收攏和展開狀態的遮光罩Fig.6 The hood in the folded and unfolded state

與金屬帶簧鉸鏈相比，高應變復合材料帶簧鉸鏈具有可定制的性能、低質量和低熱膨脹系數，使其更簡單、便宜和可靠。在適當的整體系統中，帶簧儲存的應變能可以完全替代電機，大大降低了質量和成本，且帶簧鉸鏈比機械裝置更精確、更穩定，而且質量更輕。

3.2 剛性基體高應變復合材料桿狀可展結構

高應變復合材料桿狀可展結構（也稱展開桿件）廣泛應用于各類空間大型可展結構中，如太陽帆、太陽翼等，他們常被壓平后卷繞在一個很小的體積范圍內，發射后在軌展開為初始截面形狀。如圖7所示，在立方星太陽帆方案中，使用了雙C型展開桿件來提供展開剛度，雙C型展開桿件通過緊密配合的外護套將兩個圓柱形殼體（即帶簧）的凸面從頭到尾耦合以形成對稱透鏡狀［28］，其構造簡單且組合形式多樣。

圖7 雙C型截面展開桿件及其在太陽帆中的應用Fig.7 Double C-section boom and its application in solar sails

如圖8 所示，MURPHEY 等人發明的TRAC（Triangular Rollable And Collapsible），由空軍研究實驗室開發，由沿邊緣連接的兩個弧形（即帶簧）組成，其彎曲剛度展開高度比高于豆莢桿［29-30］，TRAC 展開桿件已成功用于NanoSail-D［31］和LightSail-1［32］等。如圖9 所示，DSS 公司將C 型展開桿件用于大型卷式太陽翼ROSA，通過采用復合材料解決了哈勃太空望遠鏡太陽翼熱顫振問題［33］，ROSA 已于2017 年完成在軌飛行［34-37］，隨后又用于國際空間站［38］和NASA 的Double Asteroid Redirection Test（DART）項目［39］，目前正在論證超大面積太陽翼Mega-ROSA［40-41］。如圖10所示，為采用豆莢桿作為支撐桿件的ESA-DLR 太陽帆，展開面積約330 m2［42］。

圖8 TRAC型截面展開桿件及其在太陽帆中的應用Fig.8 TRAC section boom and its application in solar sails

圖9 C型截面展開桿件及其在太陽翼中的應用Fig.9 C-section boom and its application in solar arrays

在空間可展結構中，高應變復合材料展開桿件多作為展開驅動的組成部分，為可展結構提供展開驅動力以及展開到位的支撐剛度，如雙C 型、TRAC型、C 型和豆莢型或透鏡型（圖11）展開桿件，其展開過程往往需配合電機或控速裝置，以保證有序展開［43］。國內外學者也對不同截面進行了比較，但展開桿件截面的選擇往往與被驅動載荷的構型、包絡、剛度等密切相關。由于空間可展結構中采用的展開桿件一般尺寸均較大，通過采用高應變復合材料，可解決溫度引起的變形、熱顫振等一系列問題。

圖11 展開桿件的不同截面示意圖Fig.11 Schematic diagram of the different cross-sections of the boom

3.3 剛性基體高應變復合材料面狀可展結構

如圖12所示，是由超薄復合材料制成的反射器，其可通過大變形收攏至展開體積的1/4，作者對其設計進行了多輪改進，詳見文獻［44-46］。圖13 為DANA等［47-49］人提出的復合梁太陽電池陣COBAR（Composite Beam Roll-out Array），其將電池電路直接布置在高應變復合結構殼上，電池電路隨復合材料結構一同卷繞收攏，并在電機驅動下展開。REDWRIE 后又提出ALADDIN 太陽電池陣，見圖14，同樣采用電池電路直接布置在高應變復合材料結構上的設計，展開過程通過復合材料自身彈性勢能驅動展開，并通過尼龍搭扣或繩索控制其展開速度［50］。

圖12 增強型SSBR 1.5 m直徑演示器Fig.12 Enhanced SSBR 1.5 m diameter demonstrator

圖13 COBAR太陽翼示意圖Fig.13 Schematic diagram of COBAR sloar array

圖14 ALADDIN太陽翼示意圖Fig.14 Schematic diagram of ALADDIN solar array

3.4 剛性基體高應變復合材料體可展結構

圖15 為SOYKASAP等［51］人提出的一個新概念SAR 反射器，后被應用于EADS Astrium 公司的SAR天線，為孔徑6.5 m、寬度3.2 m的拋物面圓柱。研究發現，由碳纖維薄板制成的新結構比實心板反射器輕2.5倍，新結構在軌道荷載作用下的最大撓度預計0.04 mm，一階展開頻率約3.3 Hz。

圖15 展開、半收攏及收攏狀態Fig.15 Expanded，semi collapsed and collapsed states

4 剛性基體高應變復合材料在空間可展結構的發展方向

4.1 適用于剛性基體高應變復合材料可展結構的優化設計方法探究

剛性基體高應變復合材料可展開結構的設計需滿足兩個相反的要求：承受高應變變形的靈活性和支撐外部載荷或達到某些固有頻率的剛性，無法平衡這兩個要求會導致結構無法滿足操作所需的剛度要求，或結構無法在不引發損壞的情況下折疊，由于其新穎性，有關考慮多種需求的可展開結構的設計、優化方法很少。

空間可展結構最初的設計方法是基于對復合材料應力-應變狀態的分析評估，建立最大失效應變和折疊半徑間的關系［52-53］；后來使用基于應變或應力的失效準則，采用有限元法開展參數評估［54-55］；最新趨勢是在設計過程中引入優化算法以及額外的設計約束，如振動的固有頻率、展開剛度或展開扭矩等［56-59］。設計工具和標準均在不斷更新，但所有設計方法都采用保守設計理念，即確?？烧菇Y構的彈性狀態，由于多數可展開結構在預期使用壽命中僅展開一次，因此可以接受在其收攏過程中以受控方式對其引發損壞，以放寬對靈活設計的需求。文獻［60］中作者探討了一種將拓撲優化與適用于復合材料的損傷容限設計結合的方法，對于研制周期短的微小、微納納衛星，可以通過頻繁更換消除保守的彈性設計的需要，但此方法也存在潛在風險，因為損傷時可能釋放碎片，但通過拓撲優化和損傷容限設計不僅可以提高設計效率，還可以增加設計空間，減輕質量，而質量的優化也將帶來成本的節約。

4.2 大尺寸剛性基體高應變復合材料可展結構的低成本、高精度制造

如前所述，剛性基體高應變復合材料在可展結構中的應用往往為大型或超大型結構，對其制造工藝進行了廣泛研究，以豆莢桿為例，早期豆莢稈的“Ω”形外殼為單獨制造，后將兩片外殼進行黏合，該工藝的質量很大程度上取決于黏合表面的處理、黏合邊對齊情況、黏合線厚度控制和施加的壓力。為簡化上述工藝并確保黏合質量，DLR 開發了展開桿件一體化制造工藝［61］，通過使用內外部真空袋以整體方式固化成型，后對多余材料進行修剪以形成展開桿件的邊緣。為進一步降低成本，FERNANDEZ等［62］人提出了采用易于拆除且廉價的硅膠作為展開桿件陰模，圖16為展開桿件加工過程簡要步驟示意，表1 給出了7 m 長展開桿件的加工偏移量，偏差在使用可接受范圍。新型加工工藝的嘗試避免了傳統工藝中熱壓罐尺寸對結構大小的限制，也大大降低了成本。另外還有拉擠成型工藝［63］以及3D 打印成型工藝［64］也均有實施案例，需要依據設計需求及成本約束等選擇合理的制造工藝，對比情況見表2。

表1 7 m展開桿件的橫向加工誤差1）Tab.1 Transverse machining error of 7 m boom

表2 不同成型工藝對比Tab.2 Comparison of different molding processes

圖16 展開桿件加工過程示意圖Fig.16 Schematic diagram of the boom processing process

5 結語

剛性基體高應變復合材料因其卓越的性能，廣泛應用于空間可展結構，包括鉸接可展結構、桿狀可展結構及面狀和體可展結構，四類典型應用均具有高比強度、高比剛度、低熱膨脹、大收納比等特性，但剛性基體高應變復合材料的黏彈性在設計中應重點關注，應合理利用其帶來的阻尼特性，而避免長時間收攏帶來的不可恢復應變。

通過對四種典型可展結構中剛性基體高應變復合材料的應用現狀進行整理，發現隨著空間可展結構尺寸的不斷擴展，高模量、低密度、低膨脹系數的高應變復合材料成為應用趨勢和發展方向，其中涉及的關鍵技術和問題也應關注。其應用于可展結構的優化設計方法除保守的彈性設計外，將拓撲優化與適用于復合材料的損傷容限設計方法相結合也是一個發展方向；而大尺寸剛性基體高應變復合材料可展結構的低成本、高精度制造工藝在航天技術不斷發展的驅使下也將不斷更新。