碳纤维复合材料在航天卫星的应用与发展

自从1984年碳纤维复合材料喇叭天线支撑筒和消旋支架在东方红2号通信广播卫星上首次使用以后，几十年来，高性能纤维复合材料在国内卫星结构上获得广泛的应用。

近年来，应用复合材料制成的结构件占卫星结构的80~85%。应用结果表明，卫星结构质量不断减小，占卫星总质量的百分数，由原来大于15%下降到6%~7%，获得了可观的结构效益和经济效益。

直径为920mm，结构高度为235mm，由4块梯形波纹结构件和上、下框组装胶粘而成。每块结构件为33个波纹，采用高模量碳纤维环氧预浸料，按±45°、0°和±45°铺叠而成。该壳与国外E公司的碳纤维波纹壳相比，轴向压缩临界应力提高19%，压缩弹性模量提高26%；与国内TA3钛合金波纹壳相比，在等质量下承载能力提高90%。

碳纤双峰波纹承力筒

质量为25kg，是国内早期卫星上最大的碳纤维复合材料主承力结构件。该产品的结构高度为1983mm，筒体由48个双曲组合高效波纹(双峰波纹)构成封闭型筒形结构，上段为直形筒体，内径1088mm；下段为锥形筒体，大端的内径为1166mm；筒体外部加强件由端框、隔框、长桁和支撑件组成；结构各部分厚度不等，最薄为0.32mm，最厚为5.5mm，是一个变厚度薄壁整体结构件。结构各要素全部采用高模量碳纤维复合材料制造，采用3向整体成型工艺，将各加强件与筒体一次完成固化。制造技术最难点就在于不但要使框、长桁和各类支撑件共400多个坯件与筒体一次成型完成固化，还应保证整体和各局部的尺寸精度。该产品已经通过了一系列使用条件考核，于1994年和1997年2次发射升空，通过了飞行考验，结构质量比铝合金件轻65%，获得显著的结构效益。

碳纤维光伏边框和卫星天线

沥青基碳纤维是卫星太阳能光伏板边框的主要原料之一，其中，以中间相沥青基碳纤维的性能最为优异，其具有突出的高模量和高导热性。在严酷的外太空条件下，其弹性模量能达到800GPa以上，导热系数能达到800w/m·K以上，甚至超过1000w/m·K。光伏边框需要保整关键组件-太阳能光伏电池的安全，也需要低膨胀系数的边框的加持，避免爆框。卫星天线为保证测量精度，在工作过程中不能发生形变，也需要高模量材料。

碳纤维复合材料与铝合金混合型加筋结构

采用高模量碳纤维复合材料制成蒙皮、纵向帽形桁条、异型框，用铝合金制成上、下端框和各种接头，用粘接法将这些零件组装成产品。研制出结构高度分别为1300mm、1620mm,内径为1187.6mm2种加筋壳，均通过了使用条件试验，并用在相关卫星上。

碳纤维复合材料面板蜂窝夹层结构

该夹层结构具有质量轻，高的弯曲刚度，良好的气密性和隔热性，可制成整体结构，减少装配工作量，由于具有诸多优越性，从而在国内卫星结构中获得广泛的应用。东方红2号通信广播卫星上，蜂窝夹层结构主要用于太阳能电池圆柱壳和抛物面反射器。而东方红3号通信广播卫星大量应用蜂窝夹层结构件，如能源系统的太阳电池阵,有6块1720mm×2220mm碳纤维网格面板铝蜂窝夹层结构件，通信系统的双栅抛物面天线反射器，结构系统应用大小不等的20块碳纤维面板铝蜂窝夹层结构。在资源卫星和其它应用技术卫星上，夹层结构的用量比东方红3号还多。夹层结构件在整星结构中占有很大比例，减小了卫星结构质量，增加了有效载荷。