賈文文 濮海玲 劉穎 任守志 管帥

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

對(duì)于航天器工程來(lái)說(shuō)，空間可展結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)輕巧緊湊的特點(diǎn)，有利于航天器設(shè)計(jì)效率的提高，緊湊的結(jié)構(gòu)減小了發(fā)射所需空間，同時(shí)質(zhì)量的減輕降低了與發(fā)射燃料相關(guān)的成本［1-2］，因此20 多年來(lái)一直被人們所關(guān)注［1-4］，并不斷地改進(jìn)和發(fā)展。早期多采用銷軸式鉸鏈、電機(jī)等機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性，后通過(guò)材料變形來(lái)折疊結(jié)構(gòu)，從而避免機(jī)械方法的復(fù)雜性和質(zhì)量限制，最初使用金屬材料，后來(lái)則更多使用更高效、更輕的復(fù)合材料［5-8］。2017 年，美國(guó)DSS 公司研制的全柔性太陽(yáng)翼（ROSA，Roll Out Solar Array）在軌展開(kāi)，其采用C 型高應(yīng)變復(fù)合材料展開(kāi)桿件作為展開(kāi)機(jī)構(gòu)，顯示了高應(yīng)變、大變形材料在航天領(lǐng)域強(qiáng)大的生命力和突出的優(yōu)勢(shì)。

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

本文僅針對(duì)高應(yīng)變復(fù)合材料中的剛性基體復(fù)合材料在空間可展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用開(kāi)展調(diào)研，從不同結(jié)構(gòu)形式的剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料出發(fā)，探究其研究現(xiàn)狀、亟須解決的問(wèn)題及未來(lái)展望。

1 空間可展結(jié)構(gòu)的定義、分類及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 空間可展結(jié)構(gòu)的定義

空間可展結(jié)構(gòu)是20 世紀(jì)60 年代后期，隨著航天科技的發(fā)展而誕生的一種新型宇航結(jié)構(gòu)構(gòu)造物，在發(fā)射過(guò)程中處于折疊收納（收攏）狀態(tài)，入軌后展開(kāi)鎖定并保持為運(yùn)營(yíng)工作狀態(tài)［15］。當(dāng)今許多航天器屬于此類，如通信、氣象、探測(cè)等衛(wèi)星，美國(guó)2021 年12月發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的隔熱屏、2022年12月為國(guó)際空間站安裝的大型太陽(yáng)翼ROSA等。

1.2 空間可展結(jié)構(gòu)的分類

空間可展結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了60 余年，為滿足苛刻的空間環(huán)境條件與特殊任務(wù)需求，誕生了豐富多彩而新穎的結(jié)構(gòu)形式，下面按展開(kāi)驅(qū)動(dòng)源、結(jié)構(gòu)體系和機(jī)構(gòu)類型對(duì)其進(jìn)行分類概括。

1.2.1 按展開(kāi)驅(qū)動(dòng)源分類

根據(jù)驅(qū)動(dòng)源不同可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、彈簧元件驅(qū)動(dòng)、自伸展驅(qū)動(dòng)以及其他驅(qū)動(dòng)方式，如充氣式展開(kāi)結(jié)構(gòu)，利用材料彈性回復(fù)變形展開(kāi)的纏繞肋等。

1.2.2 按結(jié)構(gòu)體系分類

空間可展天線、太陽(yáng)電池陣、伸展臂、空間平臺(tái)、遮陽(yáng)屏、遮光罩等是空間可展結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用形式。而以上可展結(jié)構(gòu)又存在多種結(jié)構(gòu)體系，以最具代表性的可展天線為例，可分為單元構(gòu)架式可展開(kāi)天線、肋類支承式可展開(kāi)天線以及其他，如充氣式天線、環(huán)柱式天線、整體展開(kāi)天線、平面陣天線等。

1.2.3 按展開(kāi)機(jī)構(gòu)類型分類

空間展開(kāi)機(jī)構(gòu)是一般空間可展結(jié)構(gòu)的基本體系，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)形態(tài)變化、展開(kāi)折疊的基本元素。根據(jù)展開(kāi)機(jī)構(gòu)的不同可將空間可展結(jié)構(gòu)劃分為如下四種：鉸接可展結(jié)構(gòu)、桿狀可展結(jié)構(gòu)、面狀可展結(jié)構(gòu)和體可展結(jié)構(gòu)。其中鉸接展開(kāi)機(jī)構(gòu)發(fā)展最早，已廣泛應(yīng)用于各類航天器；桿狀展開(kāi)機(jī)構(gòu)在展開(kāi)后通常形成細(xì)長(zhǎng)管或單向構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)空間定位并提供結(jié)構(gòu)支撐，應(yīng)用廣泛；面狀展開(kāi)機(jī)構(gòu)包括平面和曲面展開(kāi)機(jī)構(gòu)，主要用于空間反射器及大面積天線等；體可展機(jī)構(gòu)展開(kāi)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(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間可展結(jié)構(gòu)的發(fā)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(jí)的大型太陽(yáng)翼或小型低成本商業(yè)衛(wèi)星星座太陽(yáng)翼。面對(duì)上述需求，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)關(guān)注，包括：可展結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星平臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)、超大型復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與控制、大型可展結(jié)構(gòu)的地面試驗(yàn)以及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的新材料［16］。

與任何空間可展結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一樣，對(duì)于剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料可展結(jié)構(gòu)，展開(kāi)機(jī)構(gòu)可以是電機(jī)、其他展開(kāi)裝置，或剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料自身應(yīng)變能，對(duì)于任何一種展開(kāi)機(jī)制，必須了解剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的力學(xué)行為，以設(shè)計(jì)足夠的展開(kāi)裕度以及收攏狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)６龋鴮?duì)于長(zhǎng)期處于高應(yīng)變狀態(tài)的可展結(jié)構(gòu)，黏彈性行為必須在高精度預(yù)測(cè)中加以考慮。

2 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的組成及特性

2.1 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的纖維和基體

用于空間可展結(jié)構(gòu)的剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料往往需要在高應(yīng)變狀態(tài)下長(zhǎng)期收攏而不降低儲(chǔ)存的應(yīng)變能，因此對(duì)于蠕變敏感的纖維不適用，目前廣泛應(yīng)用的纖維包括：高強(qiáng)度玻璃纖維、PAN 基碳纖維，范圍從標(biāo)準(zhǔn)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(huán)氧樹(shù)脂。

2.2 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的力學(xué)特性

上述纖維材料已廣泛應(yīng)用于各類復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)件，較厚的層壓結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為纖維的壓縮失效，為實(shí)現(xiàn)可展結(jié)構(gòu)的折疊，剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料通常設(shè)計(jì)得很薄，以獲得合理的彎曲應(yīng)變，研究發(fā)現(xiàn)剛性基體碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料系統(tǒng)在薄壁結(jié)構(gòu)中彎曲時(shí)的失效應(yīng)變高于厚層壓結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［9］中對(duì)剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性給出了詳細(xì)的論述，相較于厚層壓結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度的決定性因素，此外還可以通過(guò)改變鋪層形式、纖維類型等進(jìn)一步提高復(fù)合材料的剪切剛度。

2.3 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的黏彈性特性

上述低蠕變纖維基體系統(tǒng)在大應(yīng)變條件下仍表現(xiàn)出時(shí)間依賴性效應(yīng)，此效應(yīng)通常對(duì)應(yīng)于行為的退化，剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料呈現(xiàn)出的時(shí)間依賴性效應(yīng)，主要源于黏彈性。

參考文獻(xiàn)［17］對(duì)材料黏彈性進(jìn)行了介紹，給出了材料模量與時(shí)間的關(guān)系，參考文獻(xiàn)［18］考慮了一般復(fù)合材料的黏彈性阻尼特性，他們認(rèn)為復(fù)合材料是一種兩相材料，其中一個(gè)或兩個(gè)相具有黏彈性。在文獻(xiàn)［19-21］中，作者分別對(duì)LDPE 帶簧片和以五層超薄T800 預(yù)浸料制造的帶簧片進(jìn)行折疊、存放和動(dòng)態(tài)展開(kāi)的動(dòng)態(tài)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)其黏彈性效應(yīng)均表現(xiàn)為：初始緩慢展開(kāi)，隨后快速展開(kāi)，但對(duì)于在100 ℃的加速溫度下存放3 h 的極端松弛試件，收攏狀態(tài)可能變得無(wú)法恢復(fù)。文獻(xiàn)［22］研究了長(zhǎng)期載荷對(duì)2、3 和4層單向IM7-8552 纖維試片的影響，發(fā)現(xiàn)在室溫條件下收攏60 d，試件發(fā)生不受控制的黏彈性變形，最初試件表現(xiàn)為以黏彈性松弛為特征的應(yīng)變演化，在大約30 d后，響應(yīng)加速，初步歸因于表面開(kāi)裂。

黏彈性是許多高應(yīng)變復(fù)合材料應(yīng)用中的主導(dǎo)效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致承載能力和部件強(qiáng)度降低并引起穩(wěn)定性變化，然而高應(yīng)變復(fù)合材料的黏彈性并非都是有害的，對(duì)于可展結(jié)構(gòu)，黏彈性可以引入阻尼以減小沖擊載荷，從而平滑展開(kāi)響應(yīng)，如果允許足夠的時(shí)間，真正的黏彈性材料也能夠恢復(fù)初始幾何形狀，但對(duì)于展開(kāi)時(shí)間要求苛刻，且對(duì)展開(kāi)精度要求高的可展結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮黏彈性影響。

3 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料在空間可展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料鉸接可展結(jié)構(gòu)-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(lái)一直用作可展開(kāi)航天器結(jié)構(gòu)的組件［23］，自1998年起，開(kāi)發(fā)了系列柔性復(fù)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?jǐn)?shù)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(xiàn)［24］中作者給出了復(fù)合帶簧鉸鏈的恒定力矩表達(dá)式，隨后擴(kuò)展到多層鉸鏈［25］，以在緊湊的體積內(nèi)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(fù)合帶簧鉸鏈Fig.2 Compound spring hinge of different sizes

高應(yīng)變復(fù)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(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室建造的用于可展開(kāi)光學(xué)支架的一體式鉸鏈光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)（IHOSS）；圖4 為一多帶簧鉸鏈系統(tǒng)，8 根帶簧鉸鏈安裝于反射器的支撐臂根部，作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及鎖定后支撐結(jié)構(gòu)；圖5 為美國(guó)宇航局木星冰月軌道器（JIMO）任務(wù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)大型桁架，帶簧鉸鏈用于展開(kāi)4 塊高溫?zé)彷椛浒?，須提供大?.19 N·m 的扭矩來(lái)克服散熱器軟管的阻力矩；圖6為兩級(jí)展開(kāi)薄膜遮光罩結(jié)構(gòu)，其采用了100 多個(gè)帶簧鉸鏈［27］，完成其在徑向和高度方向的展開(kāi)。

圖3 收攏和展開(kāi)狀態(tài)的整體鉸鏈光學(xué)支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 Integral hinge optical support structure in folded and unfolded states

圖4 多臂網(wǎng)狀反射器Fig.4 Dobby mesh reflector

圖5 收攏和展開(kāi)狀態(tài)下JIMO 散熱器桁架Fig.5 JIMO radiator truss in folded and unfolded states

圖6 收攏和展開(kāi)狀態(tài)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(yīng)變復(fù)合材料帶簧鉸鏈具有可定制的性能、低質(zhì)量和低熱膨脹系數(shù)，使其更簡(jiǎn)單、便宜和可靠。在適當(dāng)?shù)恼w系統(tǒng)中，帶簧儲(chǔ)存的應(yīng)變能可以完全替代電機(jī)，大大降低了質(zhì)量和成本，且?guī)Щ摄q鏈比機(jī)械裝置更精確、更穩(wěn)定，而且質(zhì)量更輕。

3.2 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料桿狀可展結(jié)構(gòu)

高應(yīng)變復(fù)合材料桿狀可展結(jié)構(gòu)（也稱展開(kāi)桿件）廣泛應(yīng)用于各類空間大型可展結(jié)構(gòu)中，如太陽(yáng)帆、太陽(yáng)翼等，他們常被壓平后卷繞在一個(gè)很小的體積范圍內(nèi)，發(fā)射后在軌展開(kāi)為初始截面形狀。如圖7所示，在立方星太陽(yáng)帆方案中，使用了雙C型展開(kāi)桿件來(lái)提供展開(kāi)剛度，雙C型展開(kāi)桿件通過(guò)緊密配合的外護(hù)套將兩個(gè)圓柱形殼體（即帶簧）的凸面從頭到尾耦合以形成對(duì)稱透鏡狀［28］，其構(gòu)造簡(jiǎn)單且組合形式多樣。

圖7 雙C型截面展開(kāi)桿件及其在太陽(yáng)帆中的應(yīng)用Fig.7 Double C-section boom and its application in solar sails

如圖8 所示，MURPHEY 等人發(fā)明的TRAC（Triangular Rollable And Collapsible），由空軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，由沿邊緣連接的兩個(gè)弧形（即帶簧）組成，其彎曲剛度展開(kāi)高度比高于豆莢桿［29-30］，TRAC 展開(kāi)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(kāi)桿件用于大型卷式太陽(yáng)翼ROSA，通過(guò)采用復(fù)合材料解決了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)翼熱顫振問(wèn)題［33］，ROSA 已于2017 年完成在軌飛行［34-37］，隨后又用于國(guó)際空間站［38］和NASA 的Double Asteroid Redirection Test（DART）項(xiàng)目［39］，目前正在論證超大面積太陽(yáng)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(yáng)帆，展開(kāi)面積約330 m2［42］。

圖8 TRAC型截面展開(kāi)桿件及其在太陽(yáng)帆中的應(yīng)用Fig.8 TRAC section boom and its application in solar sails

圖9 C型截面展開(kāi)桿件及其在太陽(yáng)翼中的應(yīng)用Fig.9 C-section boom and its application in solar arrays

在空間可展結(jié)構(gòu)中，高應(yīng)變復(fù)合材料展開(kāi)桿件多作為展開(kāi)驅(qū)動(dòng)的組成部分，為可展結(jié)構(gòu)提供展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力以及展開(kāi)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(kāi)桿件，其展開(kāi)過(guò)程往往需配合電機(jī)或控速裝置，以保證有序展開(kāi)［43］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)不同截面進(jìn)行了比較，但展開(kāi)桿件截面的選擇往往與被驅(qū)動(dòng)載荷的構(gòu)型、包絡(luò)、剛度等密切相關(guān)。由于空間可展結(jié)構(gòu)中采用的展開(kāi)桿件一般尺寸均較大，通過(guò)采用高應(yīng)變復(fù)合材料，可解決溫度引起的變形、熱顫振等一系列問(wèn)題。

圖11 展開(kāi)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(yīng)變復(fù)合材料面狀可展結(jié)構(gòu)

如圖12所示，是由超薄復(fù)合材料制成的反射器，其可通過(guò)大變形收攏至展開(kāi)體積的1/4，作者對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了多輪改進(jìn)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［44-46］。圖13 為DANA等［47-49］人提出的復(fù)合梁太陽(yáng)電池陣COBAR（Composite Beam Roll-out Array），其將電池電路直接布置在高應(yīng)變復(fù)合結(jié)構(gòu)殼上，電池電路隨復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一同卷繞收攏，并在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下展開(kāi)。REDWRIE 后又提出ALADDIN 太陽(yáng)電池陣，見(jiàn)圖14，同樣采用電池電路直接布置在高應(yīng)變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，展開(kāi)過(guò)程通過(guò)復(fù)合材料自身彈性勢(shì)能驅(qū)動(dòng)展開(kāi)，并通過(guò)尼龍搭扣或繩索控制其展開(kāi)速度［50］。

圖12 增強(qiáng)型SSBR 1.5 m直徑演示器Fig.12 Enhanced SSBR 1.5 m diameter demonstrator

圖13 COBAR太陽(yáng)翼示意圖Fig.13 Schematic diagram of COBAR sloar array

圖14 ALADDIN太陽(yáng)翼示意圖Fig.14 Schematic diagram of ALADDIN solar array

3.4 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料體可展結(jié)構(gòu)

圖15 為SOYKASAP等［51］人提出的一個(gè)新概念SAR 反射器，后被應(yīng)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(fā)現(xiàn)，由碳纖維薄板制成的新結(jié)構(gòu)比實(shí)心板反射器輕2.5倍，新結(jié)構(gòu)在軌道荷載作用下的最大撓度預(yù)計(jì)0.04 mm，一階展開(kāi)頻率約3.3 Hz。

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

4 剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料在空間可展結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向

4.1 適用于剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料可展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探究

剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需滿足兩個(gè)相反的要求：承受高應(yīng)變變形的靈活性和支撐外部載荷或達(dá)到某些固有頻率的剛性，無(wú)法平衡這兩個(gè)要求會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足操作所需的剛度要求，或結(jié)構(gòu)無(wú)法在不引發(fā)損壞的情況下折疊，由于其新穎性，有關(guān)考慮多種需求的可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化方法很少。

空間可展結(jié)構(gòu)最初的設(shè)計(jì)方法是基于對(duì)復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的分析評(píng)估，建立最大失效應(yīng)變和折疊半徑間的關(guān)系［52-53］；后來(lái)使用基于應(yīng)變或應(yīng)力的失效準(zhǔn)則，采用有限元法開(kāi)展參數(shù)評(píng)估［54-55］；最新趨勢(shì)是在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入優(yōu)化算法以及額外的設(shè)計(jì)約束，如振動(dòng)的固有頻率、展開(kāi)剛度或展開(kāi)扭矩等［56-59］。設(shè)計(jì)工具和標(biāo)準(zhǔn)均在不斷更新，但所有設(shè)計(jì)方法都采用保守設(shè)計(jì)理念，即確?？烧菇Y(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)，由于多數(shù)可展開(kāi)結(jié)構(gòu)在預(yù)期使用壽命中僅展開(kāi)一次，因此可以接受在其收攏過(guò)程中以受控方式對(duì)其引發(fā)損壞，以放寬對(duì)靈活設(shè)計(jì)的需求。文獻(xiàn)［60］中作者探討了一種將拓?fù)鋬?yōu)化與適用于復(fù)合材料的損傷容限設(shè)計(jì)結(jié)合的方法，對(duì)于研制周期短的微小、微納納衛(wèi)星，可以通過(guò)頻繁更換消除保守的彈性設(shè)計(jì)的需要，但此方法也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)閾p傷時(shí)可能釋放碎片，但通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和損傷容限設(shè)計(jì)不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，還可以增加設(shè)計(jì)空間，減輕質(zhì)量，而質(zhì)量的優(yōu)化也將帶來(lái)成本的節(jié)約。

4.2 大尺寸剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料可展結(jié)構(gòu)的低成本、高精度制造

如前所述，剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料在可展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用往往為大型或超大型結(jié)構(gòu)，對(duì)其制造工藝進(jìn)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(dú)制造，后將兩片外殼進(jìn)行黏合，該工藝的質(zhì)量很大程度上取決于黏合表面的處理、黏合邊對(duì)齊情況、黏合線厚度控制和施加的壓力。為簡(jiǎn)化上述工藝并確保黏合質(zhì)量，DLR 開(kāi)發(fā)了展開(kāi)桿件一體化制造工藝［61］，通過(guò)使用內(nèi)外部真空袋以整體方式固化成型，后對(duì)多余材料進(jìn)行修剪以形成展開(kāi)桿件的邊緣。為進(jìn)一步降低成本，F(xiàn)ERNANDEZ等［62］人提出了采用易于拆除且廉價(jià)的硅膠作為展開(kāi)桿件陰模，圖16為展開(kāi)桿件加工過(guò)程簡(jiǎn)要步驟示意，表1 給出了7 m 長(zhǎng)展開(kāi)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(tǒng)工藝中熱壓罐尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)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(shí)施案例，需要依據(jù)設(shè)計(jì)需求及成本約束等選擇合理的制造工藝，對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表1 7 m展開(kāi)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(duì)比Tab.2 Comparison of different molding processes

圖16 展開(kāi)桿件加工過(guò)程示意圖Fig.16 Schematic diagram of the boom processing process

5 結(jié)語(yǔ)

剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料因其卓越的性能，廣泛應(yīng)用于空間可展結(jié)構(gòu)，包括鉸接可展結(jié)構(gòu)、桿狀可展結(jié)構(gòu)及面狀和體可展結(jié)構(gòu)，四類典型應(yīng)用均具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低熱膨脹、大收納比等特性，但剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的黏彈性在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)合理利用其帶來(lái)的阻尼特性，而避免長(zhǎng)時(shí)間收攏帶來(lái)的不可恢復(fù)應(yīng)變。

通過(guò)對(duì)四種典型可展結(jié)構(gòu)中剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)隨著空間可展結(jié)構(gòu)尺寸的不斷擴(kuò)展，高模量、低密度、低膨脹系數(shù)的高應(yīng)變復(fù)合材料成為應(yīng)用趨勢(shì)和發(fā)展方向，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和問(wèn)題也應(yīng)關(guān)注。其應(yīng)用于可展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法除保守的彈性設(shè)計(jì)外，將拓?fù)鋬?yōu)化與適用于復(fù)合材料的損傷容限設(shè)計(jì)方法相結(jié)合也是一個(gè)發(fā)展方向；而大尺寸剛性基體高應(yīng)變復(fù)合材料可展結(jié)構(gòu)的低成本、高精度制造工藝在航天技術(shù)不斷發(fā)展的驅(qū)使下也將不斷更新。