航天专用材料发展趋势

可重复使用航天飞行技术

——材料面临的挑战

美国航宇局（NASA）正在研究一种可重复使用的运载火箭，它将代替航天飞机。目前根本的挑战就是成本问题，如果要完全地探测和开发太空，进入太空的成本是最重要的。面临的技术挑战是：推进系统、箭身（构架）和热防护系统。先进的火箭发动机必须能够执行200次任务，一体化的运载火箭则必须具有能够执行500次任务的能力，并装备强固的热防护系统。

NASA的特定目标是从两方面来改进第二代系统的安全性，一方面是要把机组风险降至万分之一，另一方面是把发射成本降低10倍，达到每磅有效载荷约需1000美元(1磅约合0.454公斤)。安全、低费用的太空运输是维持太空商业开发和民间探险的关键要素。如果能够利用商业发射系统满足NASA的常规太空运行所需(包括地球至轨道的发射)，NASA将能够集中其资源来进行更多的科学研究、技术开发和探测活动。

为了显著地减少太空运输成本，NASA已经开展了减少风险的研究，最优先的发展计划是开发第二代的可重复使用运载火箭。NASA将执行下面四个降低风险的策略来支持这一目标。

（1）降低技术风险方面的投资（工业需要来驱动），将有利于在2005年开始全面开发一种具有商业竞争力的地球至轨道可重复使用运载器，并能够由私营企业拥有和操作。这种运载器将于2010年左右投入实际运营。

（2）开发一种具有一体化结构的运载器，其系统可以满足NASA的独家需要，但却不能以经济的方式单独用于商业性发射。

（3）近期内，探索使用现有的和新兴的商业运载发射服务来替代航天飞机进入国际空间站的途径。

（4）在远期，通过投资第三代地球至轨道可重复使用运载器和开发太空应用，为日常出入太空作好准备。

NASA将于2005年前做出几项关键性的决定，这些决定将明确特定的运载结构和商业发射服务竞争方面的准备工作。第二代可重复使用运载器应用的材料包括先进的金属基热防护系统、铝制液氧贮箱和液氢贮箱、复合材料贮箱共底装置、复合材料推力结构以及复合材料电子仪器舱。

第三代可重复使用的运载器所使用的材料包括发动机用冷却型复合材料、金属基TPA罩、纳米相铝材、耐超高温度的复合材料等。结构材料将包括耐高温的聚合物基复合材料、先进的粘合剂和密封剂、低成本的抗腐蚀热防护系统、复合材料液氧贮箱等。

“超X”计划——验证材料技术

这项计划将采用箭体一体化吸气发动机技术并且增加了飞行器的速度和有效载荷的容量。它是在X－43A可重复使用运载器试验机的基础上发展的。

这项计划的目的是用来演示验证超音速飞行器的技术、实验设备、计算方法和设计工具以及性能预测。该超音速飞行器带有整体化机身和冲压发动机。

“超X”计划是一项联合性计划，由NASA兰利研究中心、NASA德累顿飞行中心以及工业界组成。目的是提供下一代设计飞行器的工具和实验性的飞行器，增加设计信心并缩短设计时间周期。兰利研究中心一直是发展这种新技术的牵头单位，德累顿飞行中心负责研制X－43A试飞器和进行所有空中试验工作。“超X”将分别进行7马赫和10马赫速度的飞行试验考核。

X－43A将由空射型“飞马座”火箭携带到高空进行试验。该试验机机仅长3.7m，重1360kg。

X－43A的鼻锥前沿由碳/碳复合材料制成，鼻锥表面采用金属钨涂层，可控翼是由铝合金188板材制成的，而其前沿仍是由碳/碳复合材料制成的。机身蒙皮是由TUFI/AETB制成的，机身有钢制的龙骨横梁和钛铝合金制造的舱壁。超音速冲压发动机与飞行器结合成一个整体。

使用这些无人驾驶飞行器旨在验证机身一体化的超音速冲压喷气发动机的自由飞行状况，核实风洞测试实验，进行计算、测算和技术分析，归根结底是要设计潜在的未来吸气超音速巡航发动机和寻找太空飞行器的运行原理。

超音速技术计划

——材料面临更大的挑战

超音速技术计划的目的是发展一种超燃冲压发动机，计划通过燃烧碳氢化合物达到4～8马赫的飞行速度。这种超音速冲压喷射装置将作为系列超音速飞行器的基础，也是超X计划的一个组成部分。

超音速燃烧喷气发动机能比普通火箭运输更多的有效载荷，这是因为它是吸气式发动机，不必携带其本身所必需的氧气。

近期目标是发展一种超音速的巡航导弹，远期目标是发展超音速巡航的飞行器以及飞机状的航天器。这种巡航导弹的结构外形是由外部壳体和铸铝材主体组成的。可控垂直尾翼和鼻锥是用188合金制成的，燃料冷却发动机的出气口和发动机进气口的控制板是由因康镍625制成的，鼻锥前沿是用碳/碳复合材料制成的。在材料和结构当中发动机进气口面临最大的挑战，其材料必须承受得住在约540至2200℃之间变化的温度。对于进气口前沿而言，正在发展的材料包括陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料涂层，而对于发动机燃烧室和喷嘴，通常使用镍基和钴基合金就可以了。

超塑性成型钛合金零部件的寿命

据波音公司称，巨大的钛合金太空飞行器的部件是通过超塑性成型/扩散焊（SPF/DB）工艺来形成复杂的装配件。钛合金装配件是由多种部件组成的，但是这种SPF/DB工艺方式比较简单。此工艺要求较少的回火次数和较少的工具，并且节省时间。下面是波音公司有关此题目的3篇论文报告：

（1）超塑性加工工艺对Ti－6Al－4V合金板疲劳性能的影响。最近趋向于应用SPF/DB工艺来设计耐疲劳板材。早先的工作产生了一个冲突性结果，有些认为没有影响，而另外一些文章则认为SPF/DB会使疲劳寿命有适度的减少。因此，波音公司工程师实施了一项研究来阐明SPF工艺对疲劳寿命的影响。在这项研究里，简单的空心板疲劳试样是从板的应变区和非应变区取出来的，在25HZ且R=0.05的条件下施加拉伸－拉伸模式驱动力，结果显示了疲劳容限约为1.2。在高循环周期状态下，由于板表层的化学去除而使疲劳寿命进一步降低。

（2）SP700钛合金是一种可超塑性成型的钛合金。与Ti－6Al－4V合金相比，在没有形成α相的条件下，其能在较低温度下成型，而正在成型的坯件很少产生氧化过程，并产生了零部件较好的表层。显然，这种合金在纵横方向上都具有同等的超塑性。此外，在较低的应力速率下，SP700材料比Ti－6Al－4V合金可延展得更薄一些，但在较高速率下延展性却一样。作为一种研究结果，波音公司已经开始用SP700材料生产飞机的零部件。

（3）波音公司的“瘦制造”概念已经应用于SPF/DB焊接与连接工艺中。为了焊接4张板SPF/DB心包，需要一台自动化的阻抗焊机，以消除用手划线、用眼跟焊线的人为弊端。对用两张板SPF/DB制造的零部件而言，已经开发一种可批量焊接的工艺，即补砂制造法，可大大缩短压制时间。□

推荐访问:发展趋势 航天 专用 材料