天宮一號廣泛使用碳纖維 儀器玻璃可耐千度高溫

   天宮一號成功問天，人們好奇的是，這個能夠耐受幾千度高溫、兩年內將在太空與“神舟”進行三次對接的結實軀體，究竟是什么特殊材料煉成的？

　　科技日報記者聯系承擔部分材料研制任務的中國建筑材料科學研究總院相關專家，解析其中的奧妙。

　　天宮一號此行最重要的任務就是空間交會對接，這是舉世公認的航天技術瓶頸，也是它要面臨的最大的技術考驗。對接任務的完成離不開其姿態控制系統，而姿控系統必須使用關鍵的光學材料，既能夠濾紫外線，又耐宇宙線輻射、耐近千度的高溫，還要有很強的抗沖擊能力。據介紹，國內目前唯一能滿足此類要求的，只有中國建筑材料科學研究總院提供的耐輻照石英玻璃。

　　普通玻璃乃至普通石英玻璃在高強度的宇宙射線輻照下都會變黑不透光，從而造成姿控定位的失誤。在技術完全空白的情況下，1987年，顧真安院士和他的科研團隊開始啃耐輻照石英玻璃這個硬骨頭，通過幾年的研究和反復試驗，解決了在高純石英玻璃內部進行摻雜的技術問題，攻克了高溫熔融不均體、耐宇宙射線輻照等多個技術難關。1995年，“耐輻照石英玻璃”首次應用于衛星并取得了良好效果。此次用于天宮一號的玻璃，在后期熱處理等工序上做了新的改進，大大提高了產品的成品率。

　　如果把天宮一號比作鳥兒，那么飛行器要像鳥兒那樣輕松地飛遍千山萬水并在空中變換各種飛翔姿勢，就得靠資源艙了。資源艙推進分系統先進復合材料承力錐臺是天宮一號的重要結構件。天宮一號空間實驗室資源艙包括發動機和電源裝置等，用于提供軌道與姿態控制、電力能源供應、熱控環控，為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。但是資源艙推進分系統主承力結構件外形尺寸大，可分配的結構空間和結構重量小，載荷條件苛刻，設計和制造的技術難度較大。

　　中國建材集團哈爾濱玻璃鋼研究院使用碳纖維復合材料承力錐臺結構方案，創造性地用蜂窩夾層結構與復合材料十字梁組合結構作為主承力結構件，該設計方案優于金屬面板方案，解決了推進分系統結構空間小、有效載荷難以布局的難題。在產品設計、研制過程中，科研人員破解了大型復合材料結構的有限元設計方法及其在復雜載荷作用下的承載能力、主承力蜂窩夾層結構的設計計算方法等問題，攻克了產品模具設計技術、十字梁整體成型工藝、主承力高精度要求的蜂窩板成型工藝、大型復雜結構的裝配工藝等一系列關鍵技術，滿足了天宮一號承力錐臺工藝制造需求。

　　碳纖維復合材料在天宮一號上的使用幾乎隨處可見。為滿足空間光學結構的應用，作為重要承力結構件的相機支架，設計要求五“高”：尺寸精度及形位精度要求高；線膨脹系數要求高；結構彈性模量要求高，變形要微米數量級；產品基頻高，達100Hz以上；重量指標要求高，研制的技術難度較大。

　　2006年，哈爾濱玻璃鋼研究院承擔了天宮一號碳纖維復合材料相機支架組件的研制任務。利用大型仿真分析軟件建立了參數化計算模型，對復合材料構件進行優化設計，成功解決了三大技術難題：不規則、不等厚、不等寬、大截面加筋結構的工藝成型技術，復合材料加筋夾層結構的成型技術以及高精度雙層加筋結構的精度控制。

　　同樣，應用系統空間光學相機結構傳動軸的安裝支座也是主要由碳纖維復合材料制成，由碳纖維主軸、副軸軸蓋、底座以及鈦合金軸套等零部件組成。因為它對尺寸的穩定性要求更高，主體結構則由高模量、低膨脹系數的碳纖維制造。