热成型固化材料在空间充气展开结构中的应用分析

热成型固化材料在空间充气展开结构中的应用分析

吴鲁1 ,蒋钟英2 ,王辽阔3 ,金灵敏4, 阮炳松5

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摘要：空间充气展开结构具有发射体积小，质量轻等优点，在航天领域具有广阔的应用前景。热成型固化材料是空间充气展开结构所用柔性材料的关键组成，但其研究成果基本处于地面原理样机阶段，距工程应用尚有差距。基于某空间型号研制的５ｍ长空间充气展开结构实施经验，总结了热固化材料在工程化应用过程中面临的空间环境适应性、热量控制、实施工艺及力学性能变化等问题，并提出了若干解决思路和措施，为热成型固化料在空间充气展开结构的工程化应用提供了参考。

关键词：热成型固化；空间充气展开结构；工程应用

空间充气展开结构由多种柔性材料复合而成，通过向结构内部充气使其展开形成预设的形状。由于柔性材料的使用，在发射升空前可通过折叠包装极大地降低发射体积；在发射入轨后，可通过充气展开和成型固化，形成具有一定强度和刚度的空间结构。空间充气展开结构具有折叠体积小、重量轻、结构简单、结构刚度高、展开可靠性高等优点，这些优点使其在航天领域具有广阔的应用前景。

热成型固化材料是空间充气展开结构所用柔性材料的关键组成。热成型固化材料由纤维增强材料和热固性聚合物树脂基体构成，其中树脂基体通过加热进行化学固化或交联，固化周期为几十分钟到几个小时，加热方法可以由太阳光照加热和预埋加热单元加热。目前热成型固化技术在空间充气展开结构已有一些研究成果，但基本处于地面原理样机阶段，距离实际工程应用还有一定差距。本文基于实际工程应用需求，以５ｍ长的空间充气展开结构为实施对象，总结热固化材料在工程化应用过程中面临的若干问题及解决方案。

1热成型固化材料在空间充气展开结构中项目应用方案

基于某空间型号项目需要，研制长５ｍ的空间充气展开结构进行在轨功能验证。空间充气展开结构由聚酰亚胺膜、芳纶纤维布、热成型固化材料等多种柔性材料复合而成，热成型固化材料采用中温固化高温软化方式进行成型，通过在空间充气展开结构中预埋加热单元进行实施。具体方案为：航天器入轨前，空间充气展开结构处于折叠状态（热成型固化材料处于固化状态）；入轨后，对热成型固化材料进行加热软化。当热成型固化材料被加热到超过特定转化温度而呈现软化状态后，充气系统对结构内部空间充气实现结构展开；结构充气展开后，停止加热，热成型固化材料随温度降低而恢复固化状态，从而使空间充气展开结构保持足够的强度和刚度。

2热成型固化材料在空间充气展开结构中存在的问题

2.1空间环境适应性问题

首先，空间充气展开结构在轨使用时，在空间中会受到复杂的辐射、原子氧、真空等环境因素影响，热固性材料存在质量损失与氧化等问题，需验证确认是否满足航天器非金属材料选用要求。其次，长期在轨工况下，空间充气展开结构为舱外设备，其温度变化剧烈，热固性材料在温度变化状态下的力学性能下降（强度、弹性模量等随温度变化），存在力学性能稳定性问题。

2.2热量控制问题

空间充气展开结构在轨环境温度变化剧烈，通过预埋加热单元进行加热工作，加热成型所需能量大。该能量在航天器太阳翼帆板展开前仅由航天器自带的蓄电池提供，对蓄电池电源分配影响较大。因此，加热方案是否合理有效，结构外表面是否包覆多层隔热组件，如何实现热量传导平衡以及加热均匀性控制等问题需进一步解决。

2.3加热单元粘接工艺较难

传统薄膜加热单元实施工艺要求在有一定平面度要求的金属表面粘接，粘接剂一般选用较厚的硅橡胶。而空间充气展开结构中加热单元的实施对象为圆柱形管，粘贴表面为柔性膜且有较大的弯曲曲率，其粘接剂要求薄且柔软，对粘接工艺要求较高。同时加热温度高，对加热单元高温下散热、粘贴牢固性提出了更高的要求。

2.4热固性材料复合膜多次折叠后力学性能稳定性问题

空间充气展开结构在地面测试期间需进行多次折叠展开动作，热固性材料与其它柔性薄膜复合而成的结构在折叠过程中会因为复合材料增强纤维的损伤和树脂的堆积，造成复合结构弹性模量和拉伸强度等力学性能下降。

3热成型固化材料在空间充气展开结构中解决方案

针对上述问题，在本次工程化应用中，也相应采取了以下解决措施。

3.1优化热固化材料组分和试验

热固化材料由双组分构成，通过调整优化组分比例，并经过宇航环境试验测量，使其满足航天器用非金属材料的真空出气指标要求，即在真空度小于7×10－3　Pａ下，材料总质量损失（TML）小于１％和收集的可凝挥发物（CVCM）小于0.1％。目前已获得双组分最优配比，并通过试验测得其真空出气数据满足指标要求。同时，通过力学试验测量得到其在使用温度范围内的力学参数（如弯曲强度、弹性模量等），目前测得其力学性能参数的下限值满足设计指标要求。

3.2优化热控方案和元器件选用

对空间充气展开结构进行在轨温度变化仿真分析，确定主动热控方案和被动热控措施，得出在轨情况下的温度变化范围。然后根据该温度范围进行热成型固化材料和加热单元等的选型。具体工作包括：在主动热控方面，对空间充气展开结构采用分阶段、分区域、分回路的加热方式，调整加热参数，减少短时间对整星电源分配的影响，优化整体加热方案；在被动热控方面，在空间充气展开结构外表面包覆多层隔热组件，并根据需要选定隔热组件的适用温度、单元数量和反射屏材料；在热成型固化材料方面，根据使用温度和能量需求，选用中温固化高温软化的热成型固化材料；加热单元选用能耐高温的薄膜型加热片。

3.3加热单元粘接工艺攻关

加热单元选用带石墨烯背板的薄膜型加热片，石墨烯背板具有强自散热能力和较好的柔软性，能适应较大曲率、较高温度环境。同时，对加热单元粘贴工艺进行工艺攻关，已获得较可靠的工艺实施方案，即通过平板工装将原本曲面粘接方式改为平面粘接，在粘接时通过控制涂覆厚度、粘接速度等参数及采用“边粘边赶”的操作方式，并采用真空热压方式进行固化工序，实现粘接层薄且粘贴牢固性强。

3.4折叠试验验证攻关

热固性材料复合膜主要由聚酰亚胺膜、热成型固化材料、芳纶纤维布、加热单元等复合而成，通过调整上述各组分尺寸规格，试制热固性材料复合膜并进行试验，得到复合膜在一定折叠次数（包含折叠半径、折叠时长等）下的力学性能参数（如弯曲强度、弹性模量等），使其力学性能参数的下限值满足设计指标要求。

结语：

本文基于某空间型号研制的５ｍ长空间充气展开结构实施经验，总结了热固化材料在工程应用过程中面临的空间环境适应性、热量控制、加热单元实施工艺以及热固性材料复合膜力学性能变化等问题，并相应提出了若干解决思路及措施，对热成型固化技术在空间充气展开结构的工程化应用提供了参考。

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