低CTE模块化卫星材料革新：成本直降90%，太空制造周期缩短至数周

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一种用于大批量小型卫星结构的新方法使用低CTE、低成本CFRP蜂窝芯、坚固的单层蒙皮和模块化面板系统，以缩短反射器、太阳能电池阵列等的交付周期、劳动力和成本。面板使用Patz Materials and Technologies的Apex芯和A&P Technology的HM63 QISO织物表层先进的复合材料和复合结构高速生产的进步正在重塑卫星设计和制造的格局。传统的卫星开发长期以来一直依赖于昂贵的材料和劳动密集型的制造工艺，如手工叠层，这仅适用于价值数十亿美元的航天器。但是，商业卫星市场的快速扩张，特别是在大型小型卫星星座中，需要范式转变：更快的生产、更低的成本和适合大批量制造的高性能材料。为此，三家经验丰富的复合材料供应商合作开发了一种低成本、低劳动力的轻质高模量（HM- high modulus）碳纤维增强聚合物（CFRP）芯板方法，用于卫星光学台、太阳能电池阵列基板、反射器和主要结构的模块化构建块等应用。Patz Materials and Technologies（PMT，Benicia，California，U.s.）使用A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提）的准各向同性（QISO-quasi-isotropic）编织材料生产Apex CFRP蜂窝芯，其成本是HM蜂窝芯的十分之一，同时保持了高精度光学和高性能结构所需的轻质和超低热膨胀系数（CTE- coefficient of thermal expansion）。PMT还使用QISO生产坚固的单层面板。Rock West Composites（RWC，美国加利福尼亚州圣地亚哥）正在将这些组件组合在一起，用于其Strato系列夹层板、板和管，以及用于太空的太阳能电池阵列基板。后者以及射频（RF- radio frequency）通信反射器已经过RWC的测试，证明了下一代卫星的关键可制造性和性能优势，包括显著缩短设计到生产周期和材料/结构鉴定的能力。航天传统供应商合作推出新方法PMT在航空航天、国防、工业和航天市场开拓高性能复合材料方面有着悠久的历史。该公司以其在满足苛刻的热和机械要求的树脂系统、预浸料和芯材方面的深厚专业知识而闻名。PMT总裁尼克·帕茨（Nick Patz）表示，该公司认识到需要一种新方法——一种以以前成本的一小部分提供高性能材料的方法。“在过去的10年里，我们注意到市场发生了变化，大型卫星正在被星座取代，”他说，“我们开发的许多材料都是为了取代传统上用于大型卫星的材料。”尽管需要高速生产和降低成本，但性能仍然是关键驱动力。太空应用需要具有低CTE的轻质HM材料。PMT开始与RWC和A&P Technology合作，寻找满足必要性能标准的解决方案，并实现支持中小型卫星蓬勃发展需求的可制造性。RWC以其敏捷性和工程深度而闻名，它弥合了研发和可扩展生产之间的差距。该公司专门从事空间、国防和商业应用复合材料结构的设计和制造。RWC提供一系列空间级产品，旨在以更短的交付周期提供高质量的组件。其Strato系列产品满足太空的关键要求，包括低放气、低至零CTE、HM材料和宽工作温度范围。与此同时，航空航天领域的长期合作伙伴A&P Technology正在为合作提供先进的编织面料，包括其0°、+/-60°QISO材料。QISO有助于提高多向强度、悬垂性和制造效率。通过利用分散拖曳技术和先进的制造技术，合作伙伴正在创造专为中小型卫星设计的轻质、高性能碳纤维芯和预浸料系统。帕茨解释说：“当你制造数百或数千颗卫星时，你希望获得与传统大型卫星结构相同的零CTE、低放气、高刚度和低密度，但你需要更低的价格。”。“通过将我们的核心技术与一些丝束展开和A＆P的编织技术相结合，我们将这些相同的性能带入了一个经济的领域，无论是在材料成本还是总制造成本方面。”A&P Technology的QISO材料能够实现高速生产夹芯板，特别是当用作单层蒙皮时，仍然可以满足空间的性能要求。单层蒙皮，碳纤维增强塑料芯在过去的几年里，PMT一直在与A&P Technology合作，开发专为太空应用设计的用于表皮和核心材料的HM预浸料。A&P的+/-0°、60°QISO织物的平面内各向同性使单层叠层能够满足性能要求，同时减少层数和制造复杂性。在大多数传统空间应用中，用于芯夹层板的蒙皮材料使用HM碳纤维增强氰酸酯预浸料。通常，大型卫星客户将八层准各向同性蒙皮与蜂窝芯结合在一起，制成结构夹芯板。PMT的方法仅使用一层赫氏（Hexcel-美国康涅狄格州斯坦福德）基于HexTow HM63的QISO来代替八层HM单向（UD）胶带。因此，展开丝束QISO将每个表层的纤维质量从8层100克/平方米（gsm）或800gsm降低到310gsm。PMT使用相同的方法来制造其Apex通风CFRP芯材。卫星结构传统上使用通风蜂窝芯，以防止发射过程中快速加压对结构造成损坏。对于Apex蜂窝芯，PMT控制展开的丝束材料，以提供一种开放式结构，使其能够通过蜂窝壁通风，而无需像铝或Nomex蜂窝芯那样手动穿孔。摊铺牵引QISO还将所需材料量减少了一半，但仍能满足PMT的强度和刚度目标。帕茨指出，通过减少材料使用和更简单的叠层，Apex芯的成本是传统HM芯的十分之一，并且提供了一种吸湿性低、剪切性能高的结构。节省的材料量转化为成本节约和密度降低。帕茨解释说：“这实际上是一种非常昂贵的材料，这将使其不适用于这些商业市场，但我们使用的材料要少得多，这降低了每平方英尺加固的成本，使我们能够制造出一种廉价、轻质的蜂窝碳纤维增强塑料芯，如果没有展开拖曳技术，这是不可能的。”由此产生的芯材料还提供了零CTE，这对高分辨率成像系统的光学精度至关重要。可制造的模块化结构，成本更低这种方法产生了可访问和模块化的空间结构，其潜在应用包括光学台、太阳能电池阵列基板、反射器、可部署的吊杆和航天器积木。合作伙伴一致认为，这些材料的形状因子提供了前所未有的热稳定性，这对高分辨率成像系统也至关重要。帕茨解释说：“光学和成像技术已经到了透镜位移埃级影响整体分辨率的地步。”。“热膨胀最终会推动很多设计。这就是为什么许多大型卫星使用极其昂贵的材料来获得CTE。这是一种实现类似属性的解决方案，但价格更具成本效益。”随着性能目标的实现，这种材料方法帮助克服的另一个障碍是成本。更少的层数意味着所需的材料更少，工时更少，制造过程更加简化，所有这些都有助于降低成本。此外，HM63是一种美国国产碳纤维，这也有助于避免因关税而产生额外成本，避免出口管制和最终用户审批延误，并确保供应可用性。帕茨说：“可制造性最终成为一个非常大的成本驱动因素，因为你可以使用标准压固化快速制造这些产品。”。“只需将其推出，放入压机中，保持压力，就可以得到零CTE的HM面板。”这种改进的可制造性为每年生产数百颗卫星的公司提供了显著的优势。帕茨说：“我们与客户合作的一个有趣领域是库存管理。”。“他们现在甚至可以在设计之前就制造出一堆这样的面板，然后从库存中取出面板，进行修剪、加工和组装。现在，从设计到制造的周转时间是几周，而不是几年。”卫星反射器.下架进入太空RWC希望在两条主要产品线中利用这种材料：太阳能电池阵列基板和大批量反射器。RWC空间结构部门总监杰里米·塞恩（Jeremy Senne）指出，该公司的目标是每年使用复合材料生产100多个反射器，这是对当前行业基准的重大飞跃。太阳能电池板通常由超薄HM三至六层蒙皮（约0.010-0.020英寸）和低密度芯构成，以最大限度地减轻重量并最大限度地扩大航天器的发电表面积。对于某些设计，这些蒙皮是在面板固结之前预先固化的不平衡叠层，这意味着在自由状态下，它们会呈现出明显的曲率，直到它们被关于核心的对称性所平衡。HM63 QISO织物使这些蒙皮成为HM和准各向同性的单层，从而将总制造接触劳动力减少了10-20%，缩短了交付周期，并消除了与薄而不平衡的预固化蒙皮相关的挑战。反射器通常也由薄的HM织物表层和低密度芯构成，以最大限度地减轻重量并最大限度地扩大与RF通信相关的表面积。蒙皮通常至少是两层织物，以保持准各向同性的结构特性，并避免与UD材料相关的极化。与太阳能电池板类似，HM63 QISO织物使反射器蒙皮能够保持与传统设计相同的重量和蒙皮厚度，但采用HM和准各向同性的单层，减少了制造接触劳动力和交付时间。测试和试验图1. 测试中使用的面板配置通过测试（图1. 表1），RWC已经证明，由HM63 QISO织物制成的面板在强度、刚度、CTE和RF反射率方面与使用传统材料制成的面板具有接近同等的性能。这可以从面板结构测试和射频反射率测试结果中看出，如表2所示。表1. 用于测试的材料组合。失效前后共固化ASTM D7249试样显示压缩表皮失效HM63 QISO织物的拉伸、压缩模量和压缩强度与传统的准各向同性HM63蒙皮相似，尽管织物结构不同。扁平强度也相似，尽管预固化的蒙皮表现出略低的值。总的来说，RWC得出的结论是，虽然可能需要更多的测试才能完全合格，但HM63 QISO织物可以代替传统的单带蒙皮用于此类面板，并与典型的设计驱动性能相匹配。表2. QISO蒙皮面板的抗压强度、抗压模量、拉伸模量和平向张力与显示类似性能的遗产设计的相对比较RWC还对裸露的、未涂层的HM63 QISO织物夹层板进行了射频反射率测试，以确保其他反射器材料也能达到类似的性能，并且三向编织不会导致任何偏振挑战。初步测试，并与2-16千兆赫的抛光铜基线进行比较，包括S波段、C波段、X波段和Ku波段频率的横向电场（TE-transverse electric）和横向磁极（TM-transverse magnetic ）。分析TE和TM结果可以表征材料的光学特性及其在各种应用中的潜力。测试数据显示，相对于铜，HM63 QISO反射器在该频率范围内表现出-0.2至-0.6分贝的损耗，而不管入射角在10°至60°之间，轴比接近1。根据RWC的说法，这些数据强烈表明，在该频率范围内，该材料在未涂层状态下对反射器的性能良好。RWC接下来将在16-40千兆赫下进行测试，以表征其他关键射频频段的性能。图2. HM63 QISO材料在2-18千兆赫的三个入射角下的信号回波损耗归一化为抛光铜-TE Pol。图3. HM63 QISO材料的信号回波损耗为2-18千兆赫，三个入射角归一化为抛光铜-TM Pol。RWC还进行了一项制造试验，以证明使用HM63 QISO织物材料的反射器的单一固化工艺。该织物表明，它具有足够的悬垂性，可以作为两种蒙皮的单一未拼接层。该材料与PMT的每立方英尺1.6磅的Apex HM碳芯共固化，然后使用传统反射器设计中使用的传统工艺进行加工。没有发现可制造性问题，并且该材料被证明是这些类型结构的良好候选者。此外，对于多层蒙皮设计，反射层切割和铺设时间从2-3天缩短到一天。使用PMT的高模量（HM）碳芯制造的面板在使用传统工艺加工时显示出良好的效果简化资格认证和高容量准备将复合材料用于太空并不是什么新鲜事。然而，复合材料技术的最新突破正在改写规则，PMT、RWC和A&P等公司正在帮助开创卫星材料的新标准，该标准符合当今商业太空竞赛的速度、成本和性能要求。从实现可部署结构到提高光学系统的热稳定性，他们的创新正在为下一代航天器奠定基础——通过标准化和库存就绪的面板，设计到生产周期可以从几个月缩短到几周。降低材料和制造成本也意味着小型卫星项目所涉及的风险较小，这有助于简化材料认证的流程。曾经需要8-10年才能获得传统卫星平台的资格，现在可以在短短一年内实现。这种简化的资格认证流程对商业卫星公司至关重要，这些公司每年必须使数百颗卫星上线。随着商业航天工业的不断发展，这些创新的复合材料代表了一次重大的飞跃，有望实现更容易获得、更高效和更复杂的卫星技术，使最后的前沿比以往任何时候都更容易进入。------ 完 ------原文，《 Revolutionizing space composites: A new era of satellite materials 》 2025.7.28杨超凡 2025.7.30