航天器結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來(lái)展望

作者：王惠芬,，楊碧琦,，劉　剛

自１９５７年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，人類就從未停止對(duì)航天結(jié)構(gòu)材料的研究與關(guān)注,。近年來(lái),，衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，一方面對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求,，另一方面也促進(jìn)了新材料的產(chǎn)生與發(fā)展。世界各大航天機(jī)構(gòu)都設(shè)有專門的材料研究中心,，持續(xù)開展航天器結(jié)構(gòu)材料的開發(fā),。例如,，美國(guó)ＮＡＳＡ的蘭利研究中心和國(guó)內(nèi)的航天材料及工藝研究所等都是負(fù)責(zé)研發(fā)和測(cè)試航空航天新型材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。ＮＡＳＡ在２０１２年發(fā)布的《空間技術(shù)發(fā)展路線圖》中,，依然將材料與結(jié)構(gòu)列為最優(yōu)先發(fā)展的十四大領(lǐng)域之一,，并且在２０１５年對(duì)其進(jìn)行了細(xì)化與完善。

由于航天器載荷的復(fù)雜性和服役環(huán)境的特殊性,，材料的選用要求往往與常規(guī)機(jī)械產(chǎn)品有很大區(qū)別,。作為結(jié)構(gòu)材料，最基礎(chǔ)的作用就是承受和傳遞載荷,，因而所選材料必須強(qiáng)度高,、模量大、韌性好,。特別是隨著載人航天與深空探測(cè)事業(yè)的發(fā)展,，有效載荷逐漸增多，衛(wèi)星平臺(tái)越來(lái)越大,，對(duì)材料此方面的性能提出了更高要求,。我國(guó)的風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星在發(fā)展到第三代，也即第二代極軌氣象衛(wèi)星ＦＹ－３時(shí),，遙感探測(cè)器已達(dá)１２個(gè)之多,，其平臺(tái)也相應(yīng)地要求具有更大的衛(wèi)星承載能力。

在不降低材料性能的前提下,，輕量化是工業(yè)界追求的永恒目標(biāo),，它的實(shí)現(xiàn)不僅有利于削減成本，而且有助于減少環(huán)境污染,。以汽車為例,，其質(zhì)量每減輕１０％，就會(huì)節(jié)�,。叮ァ�８％的燃��,。這對(duì)發(fā)射成本異常昂貴的衛(wèi)星而言更加適用，據(jù)統(tǒng)計(jì),，進(jìn)入空間軌道的航天運(yùn)載器質(zhì)量每減輕１ｋｇ,，其發(fā)射費(fèi)用將節(jié)省約２萬(wàn)美元，因此必須采用密度盡量低的材料,。結(jié)合高強(qiáng)度和大剛度的性能要求,，需要采用比模量（彈性模量與密度之比）高和比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）大的材料。其中,，高比模量的材料還非常有利于提高結(jié)構(gòu)的自然頻率和穩(wěn)定性,，防止在發(fā)射時(shí)引起過(guò)大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷，保證衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行及提高衛(wèi)星薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)射壓縮載荷下的穩(wěn)定性,。

另外,，由于衛(wèi)星長(zhǎng)期在太空服役且在軌壽命延長(zhǎng),，因而所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料,，尤其是暴露在空間的外部材料,，要求在真空、高低溫交變,、紫外輻照,、電子輻照、原子氧等
條件下不發(fā)生大幅的成分,、結(jié)構(gòu)與質(zhì)量變化,，從而能夠保證所需的力學(xué)性能和物理性能。

１航天器結(jié)構(gòu)材料的性能特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀
目前,，航天器用結(jié)構(gòu)材料主要有金屬材料與復(fù)合材料兩大類,。金屬材料具有成熟的使用性能和加工制造基礎(chǔ)，一直以來(lái)都是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料的首選,；復(fù)合材料作為新興材料,，因其具備密度低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)也備受航天器結(jié)構(gòu)工作者的青睞,，并有逐漸代替金屬作為衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)材料的趨勢(shì),。

１.１金屬材料
金屬材料具有可焊接的特點(diǎn)，常用于衛(wèi)星密封殼體結(jié)構(gòu)中,，在接頭,、支架等承力結(jié)構(gòu)件上也有廣泛應(yīng)用。金屬材料中,，合金鋼是工業(yè)界使用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料,，但是在航空航天領(lǐng)域除了少部分結(jié)構(gòu)采用合金鋼以外，主要都采用更加輕質(zhì)的鋁合金,、鈦合金,、鎂合金等。如表１所示,，在比模量相當(dāng)?shù)那闆r下,，輕質(zhì)合金的密度低很多。

在輕質(zhì)合金中,，鋁合金價(jià)格相對(duì)便宜,，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性良好且抗腐蝕性能好,，是目前衛(wèi)星上應(yīng)用最廣泛的輕金屬材料,。部分鋁合金還具有良好的低溫性能，隨著溫度的下降,，其強(qiáng)度和塑性都有所增加,。在經(jīng)典的航天飛機(jī)時(shí)代,，乘員艙、前機(jī)身,、中機(jī)身、后機(jī)身,、垂尾,、襟翼、升降副翼和水平尾翼均由鋁合金制造,。在美國(guó),，研究和應(yīng)用較多的主要有７０７５、７４７５和７０５５等７系鋁合金,。這些成分的鋁合金不僅具有高強(qiáng)度,，而且具有高韌性，一直是各國(guó)航天材料研究人員追求的目標(biāo),。受限于材料制備技術(shù)的發(fā)展,，高強(qiáng)鋁合金在我國(guó)的應(yīng)用較少，但是要實(shí)現(xiàn)航天器的輕量化設(shè)計(jì),，這始終是一個(gè)值得研究的方向,。

目前應(yīng)用在航天器上的鋁合金主要有鋁合金厚板、鋁蜂窩板和鋁－鋰合金等,。其中,，鋁合金厚板具有高強(qiáng)度、良好的韌性,、抗應(yīng)力性能和抗剝落腐蝕性能,，而且其斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng),，作為航天航空用材料具有很好的綜合性能,。另外，鋁蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)以其比強(qiáng)度高,、比剛度高,、隔熱隔振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,，已成為現(xiàn)代衛(wèi)星主要的承力結(jié)構(gòu)。２０世紀(jì)８０年代發(fā)展起來(lái)的鋁－鋰合金由于鋰的添加可以降低合金的密度,，增加剛度,，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性,，被認(rèn)為是２１世紀(jì)航空航天領(lǐng)域最理想的結(jié)構(gòu)材料,。上述三類鋁合金因在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn),，都將是我國(guó)在鋁合金方面研究努力的方向與重點(diǎn)。

鈦合金相比于其他輕金屬材料的優(yōu)勢(shì)在于比強(qiáng)度最高,、耐腐蝕性最好（甚至遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼）,，并且高低溫力學(xué)性能很好，能在５５０℃高溫和零下２５０℃低溫下長(zhǎng)期工作而保持性能不變（鋁合金最高僅能在２００～３００℃工作）,。鈦合金線膨脹系數(shù)小,，可以用作要求尺寸不隨溫度變化的構(gòu)件。第一代航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)部分采用了鈦合金Ｔｉ１１００作為防熱瓦,。英國(guó)空天飛機(jī)ＨＯＴＯＬ的機(jī)身材料也部分采用了鈦合金,。國(guó)內(nèi)新型通信衛(wèi)星的承力筒錐段由于采用高強(qiáng)鈦合金制成大口徑雙波紋殼結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量減輕了約５０％,，抗載能力提高了８０％,。

鑒于鈦合金高昂的價(jià)格，其一般只用于承載力大的關(guān)鍵部位或者同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)性能與熱學(xué)性能有較高要求的場(chǎng)合,。

但是鈦合金由于具有優(yōu)異的力學(xué),、熱學(xué)和化學(xué)性能，不僅在結(jié)構(gòu)系統(tǒng),，在其他如控制系統(tǒng)中也表現(xiàn)出巨大的潛力,。并且鈦資源豐富，蘊(yùn)藏量?jī)H次于鐵,、鋁,。目前的難點(diǎn)就在于從原始資源到市場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)化存在較大的阻力，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)都是重要的問題,。

鎂合金是表１所列合金中密度最低的材料,，并且減振能力好，易切削加工和可回收,，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)綠色金屬工程結(jié)構(gòu)材料”,。目前，歐美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視鎂合金的研究和開發(fā),，并己將鎂合金應(yīng)用到航空航天,、汽車、軍事與３Ｃ產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域,。衛(wèi)星用鎂合金多為鑄造鎂合金,，強(qiáng)度相對(duì)較低，一般用于制作常溫和低溫下承受低載荷的結(jié)構(gòu)件,。國(guó)內(nèi)研究鎂合金的單位很多,，但是在航天器上的應(yīng)用還并不是很廣泛，局限在于鎂合金耐腐蝕性能不強(qiáng)，且長(zhǎng)時(shí)間工作溫度不能超過(guò)１５０℃,。


１.２復(fù)合材料
航天器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料主要是纖維增強(qiáng)型的復(fù)合材料,，基體一般為熱固性環(huán)氧樹脂。按照纖維的種類不同可分為碳纖維增強(qiáng)型（常見牌號(hào)有Ｍ６０,、Ｍ５５Ｊ,、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）,、凱夫拉纖維增強(qiáng)型,、玻璃纖維增強(qiáng)型和硼纖維增強(qiáng)型等。對(duì)比表１,、表２，可見復(fù)合材料的比模量和比強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于上述輕合金,。

復(fù)合材料中,，碳纖維／環(huán)氧復(fù)合材料（ＣＦＲＰ）密度低（與鎂和鈹相當(dāng)）、強(qiáng)度高（達(dá)鋁合金的３倍多）,、模量大,，輕質(zhì)高強(qiáng)性能尤為顯著，是所有航空航天領(lǐng)域最受歡迎的復(fù)合材料,。由于ＣＦＲＰ具有各向異性,，所以它具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，能為不同服役條件提供最優(yōu)的材料選擇,。同時(shí),，復(fù)合材料易于大面積整體成型的特性也為簡(jiǎn)化航天器生產(chǎn)工序、縮短生產(chǎn)周期提供了重要保障,。國(guó)內(nèi)外航天器上復(fù)合材料的使用已經(jīng)占到較大比例,。目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在衛(wèi)星上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu),、太陽(yáng)電池陣和天線結(jié)構(gòu)等方面,。由于其具有較高的比強(qiáng)度、較大的比剛度和良好的抗疲勞等性能特征,，非常適合應(yīng)用于衛(wèi)星外殼,、中心承力筒和各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板等部位。又因?yàn)椋茫疲遥芯哂芯�膨脹系數(shù)小的特點(diǎn),，所以大型電池陣經(jīng)常采用該材料,。衛(wèi)星上安裝的大型拋物面天線等強(qiáng)方向天線要求在溫度急劇變化的空間環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的外形，所以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也比較適用,。

但是復(fù)合材料也存在一些固有的缺陷,，例如吸濕性，ＣＦＲＰ在大氣中存儲(chǔ)和使用時(shí)，水分與溫度的作用會(huì)使其力學(xué)性能明顯下降,。樹脂基體吸濕后會(huì)引起體積膨脹,，不僅會(huì)產(chǎn)生濕熱變形與應(yīng)力，同時(shí)還會(huì)降低材料本身的剛度和強(qiáng)度,。另外,，ＣＦＲＰ加工精度的穩(wěn)定性也有待提高。針對(duì)這些問題,，研究發(fā)展高模量,、高強(qiáng)度以及高導(dǎo)熱率的纖維，進(jìn)一步改善樹脂基體的耐高低溫性能,，同時(shí)大力發(fā)展復(fù)合材料的自動(dòng)化制造裝備將是有效的解決辦法,。

２航天器結(jié)構(gòu)材料展望
隨著航天工業(yè)的迅速發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)材料也將處于長(zhǎng)期持續(xù)的發(fā)展之中,。新型輕合金在航天器結(jié)構(gòu)中使用的比例逐步增加,，復(fù)合材料的應(yīng)用更是促進(jìn)了航天器結(jié)構(gòu)用材的變革，并且正處于迅猛發(fā)展之中,。結(jié)合了金屬與無(wú)機(jī)／有機(jī)材料優(yōu)異性能的金屬基復(fù)合材料也已進(jìn)入航天結(jié)構(gòu)研究人員的視野,。除此之外，結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密不可分,，一些傳統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)正在被全新的多功能結(jié)構(gòu)（ＭＦＣ）和３Ｄ打印結(jié)構(gòu)所取代,。未來(lái)，航天器的結(jié)構(gòu)材料將呈現(xiàn)多樣化,、高性能的趨勢(shì),。

２.１傳統(tǒng)輕合金仍占主導(dǎo)地位，新型輕合金將逐步應(yīng)用為了適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星高性能,、輕結(jié)構(gòu)的要求,，合金材料有逐步被復(fù)合材料代替的趨勢(shì)。特別是當(dāng)復(fù)合材料在汽車與航空領(lǐng)域已經(jīng)大顯身手時(shí),，其在對(duì)材料輕質(zhì)化要求更高的航天領(lǐng)域也開始躍躍欲試,。然而隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)目前常用的樹脂基復(fù)合材料存在一些固有的缺陷,，如韌性差,、二次加工性能差、耐熱耐濕性差,、空間環(huán)境適應(yīng)性差等,，短時(shí)間內(nèi)很難在航天器上大面積應(yīng)用，這為合金材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展提供了空間和機(jī)遇,。

近年的研究表明,，通過(guò)在鋁合金和鎂合金中添加鋰,，形成鋁鋰合金與鎂鋰合金（圖１），可以獲得密度更低且其他性能基本不降低的合金材料,。美國(guó)曾將它們用于航天飛行器上,，制作常溫和低溫下承受低載荷的結(jié)構(gòu)件。上海衛(wèi)星裝備所作為衛(wèi)星制造與總裝單位,，在“十二五”期間對(duì)西安交通大學(xué)研制開發(fā)出的鎂鋰合金開展了系統(tǒng)論證和應(yīng)用研究,，取得較好的成果，目前已經(jīng)在部分型號(hào)的次承力構(gòu)件推廣應(yīng)用,。

圖１　鎂鋰合金構(gòu)件

隨著制備技術(shù)與工藝的日漸成熟,，尤其是近年來(lái)鎂合金表面處理技術(shù)水平的提升，該合金耐腐蝕性能提高,，使其將在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中有更多的應(yīng)用,。

鈦鎳合金由于具有形狀記憶功能也引起了航天領(lǐng)域的重視。在溫度低于材料的馬氏體逆轉(zhuǎn)變的開始溫度時(shí),，構(gòu)件可在一定外力下任意變形（其極限應(yīng)變可達(dá)６％～８％）,。然后，當(dāng)加熱到馬氏體逆轉(zhuǎn)變終了溫度時(shí),，由于熱彈性馬氏體相變?cè)�理，�?gòu)件可自動(dòng)恢復(fù)到原有的形狀,。目前,，鈦鎳合金已經(jīng)在衛(wèi)星管路接頭、熱敏元件等方面有應(yīng)用性研究,，并且研究表明形狀記憶合金的應(yīng)用將代替原火工品的使用,，能夠?yàn)榘踩�可靠地釋放衛(wèi)星上的機(jī)構(gòu)提供更好的保障。因此,，記憶合金是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ暮教炱鹘饘俨牧稀?br />

另外,，繼鋼鐵、塑料之后第三次材料工業(yè)革命的新材料金屬玻璃（即非晶態(tài)合金）也在衛(wèi)星上有應(yīng)用,。金屬玻璃因其內(nèi)部原子排列無(wú)序,，存在自由體積，相比于同等成分的金屬合金往往具有更低的密度和更高的強(qiáng)度,。近年來(lái),，燕山大學(xué)成功制備出用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池伸展機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵齒輪等的非晶合金構(gòu)件,，有望在未來(lái)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上得以應(yīng)用,。

２.２復(fù)合材料發(fā)展勢(shì)頭良好，應(yīng)用范圍將繼續(xù)增大復(fù)合材料發(fā)展時(shí)間較短,，但其迅猛的發(fā)展趨勢(shì)也足以令人相信它有著巨大的應(yīng)用前景,。一直以來(lái)，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用都領(lǐng)先于航天。其在飛機(jī)上的應(yīng)用已由次承力結(jié)構(gòu)材料發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)材料,。世界上大型飛機(jī)如波音７８７,、空客３８０ 等機(jī)型的結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料的用量占到了４０％～５０％，先進(jìn)直升機(jī)結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料用量甚至占到了８０％以上,。波音和空客公開的研究資料表明,，到２０２０年它們的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件將全部采用復(fù)合材料。由此類推,，復(fù)合材料在航天領(lǐng)域?qū)⒂兄�巨大的發(fā)展空間和前景,。這一點(diǎn)從衛(wèi)星桁架上此前廣泛應(yīng)用的鋁合金桁架接頭正由碳纖維復(fù)合材料接頭全部取代也可證明。圖２為典型的碳纖維復(fù)合材料接頭,。截至目前,，碳纖維高性能復(fù)合材料依然是復(fù)合材料研究與應(yīng)用的重點(diǎn)。為了縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距,，我國(guó)現(xiàn)在非常注重復(fù)合材料的預(yù)先研究,。隨著低成本一體化制造技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化,、大型化,、高精度制造裝備日趨成熟，以及基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高,，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善,，復(fù)合材料在航天器結(jié)構(gòu)上的用量必將進(jìn)一步增大。


除此之外,，針對(duì)樹脂基復(fù)合材料固有的濕熱效應(yīng)缺陷和導(dǎo)熱散熱不足等問題,，也有人提出用金屬基體材料來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有基體的不足，經(jīng)試驗(yàn),，可以極大地提高復(fù)合材料的性能,，例如可將材料的使用溫度從１６０℃提高到４００℃以上，能承受更嚴(yán)酷的空間綜合輻照,、高低溫交變環(huán)境條件,，獲得極低的真空出氣率、良好的耐濕性能和密封性能等,。２０１７年發(fā)射的最新氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)的某關(guān)鍵載荷便使用了Ａｌ／ＳｉＣ復(fù)合材料構(gòu)件（圖３）,，實(shí)現(xiàn)了空間溫度范圍內(nèi)的尺寸高穩(wěn)定與性能高可靠�,？梢灶A(yù)見,，未來(lái)對(duì)金屬基復(fù)合材料的需求將進(jìn)一步增加。

２.３結(jié)構(gòu)材料與功能材料的一體化是最新發(fā)展趨勢(shì)高性能,、輕量化是航天器材料設(shè)計(jì)追尋的永恒目標(biāo),。除了使用更輕的材料,，減少材料的使用才是更有效的減重途徑�,；�于��,，洛克希德·馬丁公司發(fā)明了多功能結(jié)構(gòu)，多功能結(jié)構(gòu)就是結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),，明確執(zhí)行不少于兩種功能的結(jié)構(gòu),，既可以同時(shí)執(zhí)行也可以依次執(zhí)行，這類結(jié)構(gòu)通常為復(fù)合材料結(jié)構(gòu),，包括嵌入多功能器件的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和本身含有多功能的結(jié)構(gòu)材料,，涉及聚合物、金屬,、陶瓷等,。隨著封裝技術(shù)的提高，越來(lái)越多的功能性材料將為結(jié)構(gòu)所用,。

ＮＡＳＡ在２０１２年發(fā)布的《空間技術(shù)發(fā)展路線圖》中的“材料,、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造”領(lǐng)域就曾強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)以及多功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的重要性和研究的必要性,。多功能結(jié)構(gòu)材料可利用先進(jìn)的計(jì)算設(shè)計(jì)和制造技術(shù),，實(shí)現(xiàn)之前難以獲得的綜合性能和功能。這些系統(tǒng)可以提高力學(xué)性能,，增強(qiáng)對(duì)環(huán)境性能和損傷的感應(yīng)能力,，以及修復(fù)損傷的能力和持續(xù)性能。

國(guó)內(nèi)這方面的研究也在不斷深入,，航天材料及工藝研究所帶頭完成的“多功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料集成技術(shù)”項(xiàng)目設(shè)計(jì)了具有多項(xiàng)功能的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)功能技術(shù)的高效集成,，使結(jié)構(gòu)減重達(dá)到３５％,，已在多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品上有所應(yīng)用。

可以想像,，未來(lái)的航天器主結(jié)構(gòu)還是由合金或更多的復(fù)合材料構(gòu)成,，其他部分的結(jié)構(gòu)將不僅僅具有承受和傳遞力的能力，而且同時(shí)具有其他功能,。隨著輕質(zhì)材料和新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,，航天器將變得更小、更輕,，而功能卻更加豐富,。

２.４增材制造將改變航天器結(jié)構(gòu)材料形式增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜但力學(xué)性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)的制造，代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝,，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu),。這一技術(shù)非常適用于衛(wèi)星單件／小批量結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn),，將對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造,、裝配工藝產(chǎn)生革命性的影響,。例如，上海衛(wèi)星裝備所前期基于選擇性激光融化（ＳＬＭ）成形技術(shù),，采用輕質(zhì)仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星某下端框進(jìn)行了輕量一體化設(shè)計(jì),，并采用鋁合金成型出輕量化設(shè)計(jì)的下端框樣件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重２４,。５８％及承載條件下應(yīng)力分布更均勻,，如圖４所示。針對(duì)衛(wèi)星多通道接頭采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等高效承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化,，并采用鋁合金成型輕量化多通道接頭,，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度要求的前提下,，最大化地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重３２％,，如圖５所示。

３結(jié)語(yǔ)
隨著大型復(fù)雜高精度航天器的迅速發(fā)展和深空探測(cè)器開發(fā)進(jìn)程的加快,，航天器對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的需求異常迫切,。由于長(zhǎng)期在太空服役，所選材料還必須具有良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性,。鋁合金具有較好的綜合性能,，一直以來(lái)都是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料的首選；復(fù)合材料作為新興材料,，因其具備密度低,、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)也備受航天器結(jié)構(gòu)工作者的青睞。

縱觀當(dāng)前衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)和相關(guān)預(yù)研項(xiàng)目的開展,，輕合金尤其是鋁合金在一定時(shí)期內(nèi)仍將占主導(dǎo)地位,，新型輕合金如鎂鋰合金將逐步應(yīng)用；復(fù)合材料發(fā)展勢(shì)頭良好,，應(yīng)用范圍將繼續(xù)增大,，特別是Ａｌ／ＳｉＣ等金屬?gòu)?fù)合材料表現(xiàn)出良好的空間穩(wěn)定性與可靠性；結(jié)構(gòu)材料與功能材料的一體化將是最新發(fā)展趨勢(shì),。另外,，納米復(fù)合材料、增材制造結(jié)構(gòu)材料一體化等新興材料技術(shù)也開始在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域嶄露頭角,，必將對(duì)航天器結(jié)構(gòu)材料及其形式發(fā)展產(chǎn)生重大影響,。

作者：王惠芬，楊碧琦,，劉　剛,，來(lái)源：上海衛(wèi)星裝備研究所,、新材料智庫(kù)