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航空航天用先进复合材料技术进展(三)—— 网格结构先进复合材料

3月18日

网格结构是实现材料轻量化的重要结构之一,通常可在拉舍尔经编机上进行织造,通过梳栉不同的穿纱方式和组织结构,在相邻织针间形成局部无连结的结构,从而编织形成各种网格结构。网格复合材料具有较大的横截面惯性矩,可设计性强、结构稳定、比强度和比刚度高。

网格结构先进复合材料在航空领域的应用

近年来,波音公司推出了一种名为TTBW(Transonic Truss-Braced Wing)的新型亚音速桁架飞机机翼的设计方案。该桁架结构是一种由多根杆件组成的三角形或多边形网格结构,其具有轻质、强度高、刚度大等特点。波音公司对亚音速桁架机翼的研究已经有五年多,目前已经进入了实验阶段,若试飞成功,将正式推出商业化方案。


亚音速桁架机翼

网格结构先进复合材料在航天领域的应用

目前,我国天宫空间实验室和天舟货运飞船的半刚性太阳翼都采用了玻璃纤维网状结构,再与树脂复合,得到的复合材料具备轻量化、高压安全性、高承载性以及空间环境的强防护性,特别是对低轨空间环境中原子氧、等离子体等具有较强防护性。这种网状结构的半刚性太阳翼不仅寿命长,还极大地提高了飞行器的发电效率。为了进一步减轻太阳翼的重量,东华大学陈南梁教授研究团队提出了全新的网格结构织造技术,预期将有明显的减重效果。


玻璃纤维半刚性太阳能电池基板及在“天宫”飞行器上的应用

随着人类航天活动的日趋频繁,空间碎片数量越来越多,对航天器存在潜在威胁。早在2018年,欧洲就进行了绳网捕获卫星试验,用于试验的卫星是“RemoveDEBRIS”。清除碎片的卫星弹射出一个由聚乙烯纤维编织的直径 5m的绳网,准确捕获网中的小卫星。


绳网捕获卫星

网格结构的金属网反射面是星载天线的关键部位,东华大学陈南梁科研团队经过长期科研攻关,采用极细金属丝合股及经编技术研制得到网格结构的金属网反射面。星载大型可展开柔性天线已在世界首颗高轨卫星“陆地探测四号”及“北斗”“天通”“鹊桥”等30多颗高性能卫星上成功应用,极大地提高了我国卫星的通讯能力。此外,该团队还采用不同经编结构,通过调控网眼的结构形状和尺寸大小等参数,设计开发了同时满足力学性能和电学性能要求的金属网反射面,形成了系列产品。值得注意的是,由于该金属网反射面原料选用的是镀金钼丝,具有高强度、耐高温、化学惰性和不易氧化等优点,可以满足星载天线的要求,无需再对其进行表面处理,因此严格来说其并不属于复合材料。


星载大型可展开柔性天线金属网反射面

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