高性能聚合物基復合材料在航天器承力結構中的應用研究進展。闡述了其發展歷程、在航天器承力結構不同類型中的應用情況，分析了應用優勢與挑戰，并展望了未來發展趨勢，旨在為該領域的研究和應用提供參考。

一、引言

隨著航天技術的飛速發展，對航天器性能的要求日益提高，輕量化、高強度、高剛度成為航天器結構設計的關鍵目標。高性能聚合物基復合材料憑借其優異的力學性能、輕質高強、耐腐蝕等特性，在航天器承力結構中的應用逐漸成為研究熱點。深入了解其在該領域的應用研究進展，對于推動航天技術的進一步發展具有重要意義。

二、高性能聚合物基復合材料概述

高性能聚合物基復合材料是由高性能聚合物作為基體，與增強材料（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）復合而成。根據增強材料的不同，可分為碳纖維增強聚合物復合材料、玻璃纖維增強聚合物復合材料、芳綸纖維增強聚合物復合材料等。在航空航天領域，碳纖維增強聚合物復合材料的應用最為廣泛。

三、發展歷程

（一）初步應用階段（20世紀70 - 80年代）

我國航天器研制初期，隨著第一顆航天器東方紅一號的研制，復合材料開始應用于航天器結構，但當時主要限于次級結構。例如，1970年成功發射的東方紅一號，其主結構為球形72面體鋁合金蒙皮骨架式殼體結構，在結構中采用了玻璃纖維承力錐。1975年我國首顆返回式衛星成功發射，防熱結構用復合材料是典型的功能復合材料，標志著我國突破了地球軌道返回式防熱結構設計、試驗及實現技術。

（二）快速發展階段（20世紀80 - 90年代）

隨著結構設計仿真技術的發展，復合材料實現了在航天器結構中的大規模應用。在掌握了復合材料大承載結構設計、仿真、驗證及制造技術的基礎上，復合材料成功應用至航天器主承力結構（平臺）中。具有里程碑意義的典型代表產品為東方紅三號波紋承力筒以及資源一號蒙皮加筋承力筒，此二者的誕生標志著我國掌握了大承載輕量化主承力結構設計技術，開啟了我國大承載衛星研制的歷程。

（三）廣泛應用階段（21世紀初至今）

隨著先進復合材料技術、復合材料優化技術、先進成型工藝技術的突破，復合材料廣泛應用于航天器各類結構中。在主承力結構方面，成功研制了DFH - 4平臺蜂窩夾層承力筒、導航二期全復材波紋承力筒等主承力結構，并在蜂窩板技術的基礎上突破了蜂窩板預埋/后埋技術。在次級結構方面，得益于復雜曲面復合材料結構設計與工藝成型技術的突破，復合材料大量應用至航天器次級結構中，使得大型、復雜的次級結構得以實現。

四、在航天器承力結構不同類型中的應用

（一）主承力結構

高性能聚合物基復合材料在航天器主承力結構中發揮著重要作用。例如，在衛星平臺中，采用碳纖維增強聚合物復合材料制造的承力筒結構，具有重量輕、強度高、剛度大等優點，能夠有效減輕衛星的整體重量，提高衛星的有效載荷能力。像DFH - 4平臺蜂窩夾層承力筒，配合碳/鋁蒙皮鋁蜂窩夾層板共同實現了平臺的誕生，其結構質量比優于同期國內所有衛星。

（二）次級結構

在航天器的次級結構中，如太陽翼基板、天線支架等，高性能聚合物基復合材料也得到了廣泛應用。我國攻克并全面掌握了剛性太陽翼稀疏網格面板設計與工藝技術，1999年自研的中型太陽翼資源一號、小型太陽翼實踐五號首飛成功，至同年底自研大型東方紅三號太陽翼在軌成功展開，標志著我國掌握了大、中、小型一次展開剛性太陽翼研制技術，全面實現太陽翼自研。

（三）連接結構

連接結構是航天器承力結構中的重要組成部分，高性能聚合物基復合材料在連接結構中的應用也逐漸增多。例如，采用復合材料制造的連接件，如螺栓、螺母、連接片等，具有重量輕、耐腐蝕、絕緣性好等優點，能夠有效提高連接結構的性能和可靠性。

五、應用優勢

（一）輕量化

高性能聚合物基復合材料具有密度低的特點，相比傳統金屬材料，能夠顯著減輕航天器的重量。例如，采用碳纖維增強聚合物復合材料制造的航天器結構件，重量可比傳統鋁合金結構件減輕20% - 30%，這對于提高航天器的有效載荷能力、降低發射成本具有重要意義。

（二）高強度和高剛度

復合材料具有優異的力學性能，其強度和剛度可以與金屬材料相媲美，甚至在某些方面優于金屬材料。通過合理設計復合材料的鋪層方式和結構形式，可以充分發揮其強度和剛度優勢，滿足航天器承力結構對強度和剛度的要求。

（三）耐腐蝕

航天器在太空環境中面臨著各種惡劣的腐蝕條件，如原子氧腐蝕、紫外線輻射等。高性能聚合物基復合材料具有良好的耐腐蝕性能，能夠有效抵抗這些腐蝕因素的侵蝕，延長航天器的使用壽命。

（四）可設計性強

復合材料具有良好的可設計性，可以根據航天器承力結構的具體要求，通過選擇不同的增強材料、基體材料和鋪層方式，設計出具有特定性能的結構件。這使得復合材料能夠更好地滿足航天器結構設計的多樣化需求。

六、面臨的挑戰

（一）成本問題

高性能聚合物基復合材料的原材料成本較高，且其制造工藝復雜，加工成本也相對較高。這導致復合材料航天器結構件的成本遠高于傳統金屬結構件，限制了其在航天器中的大規模應用。

（二）可靠性問題

復合材料的性能受多種因素影響，如原材料質量、制造工藝、環境條件等。在航天器長期運行過程中，復合材料結構件可能會出現性能退化、損傷等問題，影響航天器的可靠性。因此，需要加強對復合材料結構件的可靠性研究和評估。

（三）回收利用問題

目前，高性能聚合物基復合材料的回收利用技術還不夠成熟，復合材料廢棄物的處理成為一個難題。大量復合材料廢棄物的堆積不僅會造成環境污染，還會浪費資源。

七、未來發展趨勢

（一）降低成本

未來，隨著復合材料技術的不斷發展和生產規模的擴大，原材料成本和加工成本有望逐漸降低。同時，研發新型的低成本復合材料制造工藝，如自動化成型技術、樹脂傳遞模塑技術等，也將有助于降低復合材料航天器結構件的成本。

（二）提高可靠性

加強對復合材料性能的研究和測試，建立完善的復合材料結構件可靠性評估體系。研發新型的復合材料損傷檢測和修復技術，及時發現和修復復合材料結構件的損傷，提高航天器的可靠性。

（三）加強回收利用

加大對復合材料回收利用技術的研發投入，開發高效的復合材料回收利用方法，如化學回收、熱解回收等。實現復合材料的循環利用，減少環境污染，節約資源。

（四）智能化應用

隨著智能材料和傳感器技術的發展，未來高性能聚合物基復合材料有望實現智能化應用。例如，在復合材料結構件中嵌入傳感器，實時監測結構件的應力、應變、溫度等參數，實現對航天器結構的健康監測和故障預警。

八、結論

高性能聚合物基復合材料在航天器承力結構中的應用研究取得了顯著進展，在主承力結構、次級結構和連接結構等方面都得到了廣泛應用。其具有輕量化、高強度、高剛度、耐腐蝕和可設計性強等優勢，但也面臨著成本、可靠性和回收利用等挑戰。未來，隨著技術的不斷發展，高性能聚合物基復合材料在航天器承力結構中的應用前景將更加廣闊，有望為航天技術的發展做出更大貢獻。