Quin és l'estat actual i les tendències de desenvolupament dels materials compostos de fibra als carenats dels vehicles de llançament?
El carenat del satèl·lit és un dels components més importants d'un vehicle de llançament, que posseeix una bona forma aerodinàmica, una massa estructural lleugera i una capacitat de separació fiable. La seva funció principal és mantenir la forma aerodinàmica del vehicle de llançament durant el pre-llançament i el vol, protegint la càrrega útil a l'interior de la influència de l'entorn natural extern i l'erosió aerodinàmica, i separant-se de manera fiable del coet després de sortir de l'atmosfera. La figura 1 mostra el carenat del vehicle de llançament en estat de separació. El carenat es troba a la part davantera del vehicle de llançament, protegint el satèl·lit i altres instruments de precisió dins del vehicle de llançament de la corrosió tèrmica durant la sortida atmosfèrica. Un cop el vehicle de llançament ha sortit de l'atmosfera, el carenat ja no compleix la seva finalitat i, en aquest punt, per reduir el pes del coet, el carenat es separa del vehicle de llançament. Per garantir la transmissió de dades entre la càrrega útil dins del carenat i el món exterior abans de la separació, el carenat generalment té capacitats de transmissió d'ones electromagnètiques. Actualment, els carenats de satèl·lit, tant a nivell nacional com internacional, es divideixen principalment en dues categories: estructures metàl·liques reblades i estructures de material compost. Les estructures reblades metàl·liques utilitzen habitualment aliatges d'alumini, mentre que les estructures de material compost utilitzen materials compostos de fibra-a base de resina amb capacitats de transmissió-d'ones. Els carenats dissenyats i fabricats amb materials compostos de fibra-a base de resina poden reduir de manera efectiva el pes estructural en un 20%-30%, augmentant la capacitat de càrrega útil dels coets i reduint el consum de combustible del motor amb la mateixa càrrega útil, reduint així els costos de llançament de coets. A més, els materials compostos de fibra a base de resina-ofereixen una major flexibilitat de disseny que els materials metàl·lics, la qual cosa permet un disseny i una fabricació integrats, reduint el nombre de components estructurals i millorant la fiabilitat estructural. L'excel·lent resistència a la corrosió, la resistència a la calor humida, la resistència a la radiació i la resistència a la fatiga dels materials compostos de fibra a base de resina prolonguen la vida útil de l'estructura del carenat, permetent així la recuperació del carenat.
2.1 Materials del panell L'estructura del panell proporciona la forma aerodinàmica del carenat. El material del panell és un material compost de fibra a base de resina-, compost per un material matriu i materials de reforç. Els materials compostos de fibra a base de resina-són lleugers, d'alta-resistència i resistent a la calor-, amb una gran flexibilitat de disseny i poden aconseguir una funcionalitat de transmissió d'ona-en una àmplia gamma, cosa que els converteix en materials ideals per a carenats. En aquest capítol es revisa els materials de carenat a base de fibres i resina-d'ús habitual, tant a nivell nacional com internacional.
2.1.1 Materials de fibra Els compostos de fibres basats en -resina tenen avantatges com ara una alta resistència específica i un alt mòdul específic. Els materials de reforç-d'alt rendiment que s'utilitzen habitualment en panells de carenat tant a nivell nacional com internacional inclouen fibra de carboni, fibra de vidre i fibra d'aramida.
La fibra de carboni té moltes propietats excel·lents, com ara una gran resistència axial i mòdul, baixa densitat, sense fluïdesa, bona resistència a la fatiga, baix coeficient d'expansió tèrmica i bona conductivitat elèctrica i rendiment de blindatge electromagnètic. S'ha utilitzat àmpliament en el camp aeroespacial.fibra de vidreés el material de reforç més utilitzat per a les pells de carenat transparent-onades, que té avantatges com ara una gran resistència, excel·lents propietats dielèctriques, una baixa absorció d'humitat i una estabilitat dimensional. Quarsfibra de vidreposseeix les millors propietats dielèctriques de totes les fibres de vidre, essent essencialment sense canvis en una àmplia banda de freqüència, permetent la transmissió d'ones de banda ampla en carenats. A més, la fibra de quars presenta un excel·lent rendiment de transmissió d'ones a altes temperatures, i la majoria de carenats avançats a l'estranger actualment utilitzen fibra de quars com a material de reforç. La fibra d'aramida, una fibra especial-d'alta tecnologia, posseeix una gran resistència i un mòdul elevat, una excel·lent resistència a la calor i un retard de flama, i s'utilitza en aplicacions aeroespacials com ara armilles i cascs antibales d'aramida. Tanmateix, la naturalesa higroscòpica de la fibra d'aramida afecta les seves propietats dielèctriques, limitant la seva aplicació en carenats transparents-onades.
2.1.2 Materials de resina Els carenats generalment utilitzen resines termoestables d'alt rendiment-com a material de matriu del panell, com ara resina epoxi (EP), resina de bismaleimida (IMC) i resina d'èster de cianat (CE), etc. La resina epoxi és el material de resina més utilitzat. Compta amb excel·lents propietats termodinàmiques, una forta processabilitat i propietats elèctriques superiors, cosa que el converteix en un element bàsic en matrius de resina composta. Tanmateix, la resina epoxi pateix una baixa resistència a l'impacte i una disminució significativa de les propietats mecàniques en condicions humides i calentes. En els darrers anys, els investigadors s'han centrat a afegir grups flexibles als sistemes epoxi per millorar la seva duresa i resistència a la calor. La resina de bismaleimida (IMC), com a material de poliimida aromàtica, posseeix una excel·lent resistència a altes i baixes temperatures, alta resistència i mòdul, baix coeficient d'expansió tèrmica, baixa constant i pèrdua dielèctrica, baix buit volàtil i baix condensables volàtils. També comparteix avantatges similars amb la resina epoxi, com ara la facilitat de processament, i s'utilitza àmpliament en el camp aeroespacial. No obstant això, els seus desavantatges inclouen un alt punt de fusió, una poca solubilitat i una gran fragilitat. La resina d'èster de cianat (CE) és un nou tipus de resina desenvolupat a la dècada de 1980. Presenta baixa constant dielèctrica, resistència a altes temperatures i resistència a la calor humida, i s'utilitza principalment en plaques de circuits impresos d'alt rendiment i materials estructurals transparents d'alt rendiment.{12}} Els seus desavantatges inclouen una gran fragilitat i una poca duresa després de la curació. Per augmentar la duresa del sistema de resina, l'IMC i el CE utilitzen generalment sistemes de resina mixta modificada endurida com a matriu de material compost. Els sistemes de resina BMI i CE modificats, alhora que garanteixen una excel·lent resistència a la calor humida i les propietats dielèctriques, poden millorar la resistència a l'impacte de l'estructura.
2.2 Materials sandvitx L'estructura sandvitx del carenat té un paper de suport per al material del panell, i els seus paràmetres de rendiment afecten molt les propietats mecàniques de la secció de transmissió d'ona-del carenat satèl·lit. El material sandvitx ha de complir els requisits següents: baixa densitat, alt mòdul de compressió, alt mòdul de cisalla, alta resistència a la flexió i excel·lents propietats dielèctriques. Els principals materials sandvitx de carenat que compleixen aquests requisits són:fibra de vidreniu d'abella, niu d'abella d'alumini, niu d'abella de paper Nomex i niu d'abella d'escuma PMI (metacrilat de polimetil).
La bresca de fibra de vidre té un efecte de reducció de pes insignificant i propietats mecàniques pobres. En el camp aeroespacial, la bresca de paper Nomex i la bresca d'escuma PMI l'han substituït gradualment; la combinació de panells de bresca d'alumini i fibra de carboni pot causar corrosió electroquímica, sense complir els requisits de resistència a la corrosió dels materials compostos en el dur entorn de les naus espacials; La bresca de paper Nomex està feta d'aramida impregnada amb resina fenòlica, i la combinació de panells de bresca de Nomex i fibra de carboni no causa corrosió electroquímica, té un mòdul de cisalla més alt que l'escuma rígida PMI, té un cost més baix, té una bona processabilitat i s'utilitza àmpliament en fuselatge, connectors i altres peces, fent-lo àmpliament utilitzat en el camp aeroespacial; L'estructura sandvitx d'escuma PMI és superior a altres estructures sandvitx de bresca en moltes propietats mecàniques i és una estructura rígida d'alta-rigidesa. Amb una resistència a la tracció superior a 0,5 MPa, una densitat inferior a 100 kg/m³ i una temperatura de distorsió tèrmica que arriba als 240 graus, PMI presenta una excel·lent força d'unió interfacial amb resines termoestables com EP, BMI i CE. Com a estructura sandvitx, és menys propensa a separar-se de la interfície del panell. A més, les estructures PMI ofereixen un excel·lent rendiment de transmissió d'ones, permetent la transmissió d'ones de banda ampla alhora que compleixen els requisits de càrrega. S'utilitza àmpliament en carenats a l'estranger i, a nivell nacional, s'utilitza principalment en components estructurals d'avions civils. La nova generació de vehicles de llançament-la sèrie Long March 3A-va adoptar una estructura sandvitx PMI de producció nacional per al seu con frontal de carenat, reduint els costos de llançament de satèl·lits i demostrant àmplies perspectives d'aplicació.
Estat actual del desenvolupament del material de carenat domèstic
Per satisfer les necessitats futures de desenvolupament de carenats per als vehicles de llançament i altres naus espacials del meu país, diverses universitats i instituts de recerca de la Xina s'han centrat a modificar materials compostos de fibra per dissenyar i desenvolupar materials compostos de fibra d'alt-rendiment i baix-cost. Això ha millorat la capacitat del vehicle de llançament per accedir a l'espai i ha reduït els cicles i els costos de llançament.
Yang Shiyong et al. de l'Institut de Química de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, han desenvolupat una sèrie de matrius de resina de poliimida, incloent la primera generació resistent a 316 graus, la segona generació resistent a 371 graus i la tercera generació resistent a 426 graus. També han desenvolupat diferents mètodes d'emmotllament per a compostos de matriu de resina reforçada amb fibra de carboni resistents a altes{-temperatura, com ara la tecnologia d'autoclau al buit, la tecnologia RTM d'alta-temperatura al buit i la tecnologia d'emmotllament en calent reactiu. He Guowen va realitzar estudis d'anàlisi microscòpica sobre la preparació i la força d'unió interfacial de compostos de poliimida, proporcionant una referència per a l'aplicació de compostos de poliimida en carenats d'avions. Rao Xianhua de la Universitat de Jilin ha dut a terme investigacions sobre matrius de resina de poliimida d'alt rendiment-fenilacetilè-i els seus compostos de fibra de carboni, ampliant els horitzons per al desenvolupament de carenats compostos de fibra de carboni de poliimida resistents a les altes{{12}temperatura. L'Institut de Recerca de Materials i Processos Aeroespacials ha desenvolupat un material compost de poliimida reforçat-de quars que es pot utilitzar a llarg termini-a temperatures de fins a 370 graus . Aquest material també presenta baixa constant dielèctrica i pèrdua dielèctrica, rendiment estable i excel·lents propietats dielèctriques i mecàniques, el que el converteix en un candidat adequat per a un material funcional-transparent/alta-càrrega-ones. Zhang Xing et al. va dissenyar un carenat de satèl·lit totalment transparent-amb un panell de fibra de vidre-estructura sandvitx de bresca de paper aramida. Els resultats experimentals han verificat que aconsegueix una capacitat de transmissió d'ones d'alta-eficiència amb una taxa de transmissió d'ones omnidireccional mitjana del 90%. Fins i tot amb una reducció de pes superior al 20%, la capacitat de càrrega-encara complint els requisits de disseny, aconseguint una capacitat de suport de càrrega lleugera i alta-i una funcionalitat de transmissió d'ones omnidireccional, que s'ha verificat en proves de vol. Qu Guangyan, de l'Institut d'Investigació FRP de Harbin, va dissenyar una estructura de carenat de material compost lleuger, de gran-resistència i gruix-controlable mitjançant un procés de co-curat de material compost de fibra de carboni d'alta-resistencia. Això supera els reptes de disseny de motlles que comporta la-tecnologia d'emmotllament integrat a gran escala. El carenat de material compost de fibra de carboni-d'alta resistència manté la seva forma aerodinàmica alhora que garanteix grans dimensions, protegint la càrrega útil interna de les influències ambientals externes.
Estat actual del desenvolupament del material de carenat a l'estranger
Els Estats Units compten amb la tecnologia més avançada en el disseny i la fabricació de materials de carenat de vehicles de llançament. Els materials de carenat inclouen materials tant inorgànics com orgànics, i els processos d'emmotllament inclouen l'envasat al buit, l'emmotllament i la fosa. Els EUA disposen de proves exhaustives de rendiment del carenat i de mètodes experimentals, així com de tecnologia de túnel de vent per a proves-reals. A la dècada de 1970, els EUA van desenvolupar el material compost Duroid 5870 i van completar proves sobre la càrrega tèrmica del carenat, les propietats elèctriques d'alta-temperatura, l'ablació i la resistència a l'erosió de la pluja. També va desenvolupar equips de prova de carenat automatitzats per a proves de rendiment elèctric. Actualment, en el sistema de material compost basat en resines orgàniques resistents a altes -temperatura- (HTPMC), les resines PI (PMR-15 i PMR{-50) desenvolupades pels EUA s'han convertit en materials fonamentals en la indústria aeroespacial, promovent significativament l'aplicació de materials compostos PI i reduint els costos de components estructurals grans. Les excel·lents propietats dielèctriques de la fibra de quars faciliten la transmissió d'ones de banda ampla, i la majoria de carenats de vehicles de llançament estrangers estan fets ara de materials compostos de fibra de quars. Els Estats Units han desenvolupat una estructura de carenat composta de resina PI reforçada amb fibra de quars- amb una temperatura de funcionament superior a 538 graus . Rússia posseeix la-tecnologia de fabricació de materials composts líder mundial. Mentre desenvolupa i aplica materials avançats resistents a altes temperatures, també ha desenvolupat nous materials compostos adequats per a carenats de banda ampla i carenats de mode dual electromagnètics/infrarojos. Simultàniament, està reforçant la investigació sobre tecnologies de processament i fabricació de carenats, centrant-se en el disseny de rendiment estructural i elèctric de carenats. La resina fenòlica modificada desenvolupada per Rússia ha aconseguit nivells molt alts de processament i rendiment de transmissió d'ones, amb una temperatura màxima de funcionament de 600 graus, i s'ha aplicat amb èxit a carenats de banda ampla.
