Ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση και οι τάσεις ανάπτυξης των σύνθετων υλικών από ίνες στα φέρινγκ οχημάτων εκτόξευσης;

Το δορυφορικό φέρινγκ είναι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία ενός οχήματος εκτόξευσης, με καλό αεροδυναμικό σχήμα, ελαφριά δομική μάζα και αξιόπιστη ικανότητα διαχωρισμού. Η κύρια λειτουργία του είναι να διατηρεί το αεροδυναμικό σχήμα του οχήματος εκτόξευσης κατά την εκτόξευση και την πτήση, προστατεύοντας το ωφέλιμο φορτίο στο εσωτερικό από την επίδραση του εξωτερικού φυσικού περιβάλλοντος και της αεροδυναμικής διάβρωσης και διαχωρίζοντας αξιόπιστα από τον πύραυλο μετά την έξοδο από την ατμόσφαιρα. Το σχήμα 1 δείχνει το φέρινγκ του οχήματος εκτόξευσης σε κατάσταση διαχωρισμού. Το φέρινγκ βρίσκεται στο μπροστινό μέρος του οχήματος εκτόξευσης, προστατεύοντας τον δορυφόρο και άλλα όργανα ακριβείας μέσα στο όχημα εκτόξευσης από τη θερμική διάβρωση κατά την ατμοσφαιρική έξοδο. Μόλις το όχημα εκτόξευσης βγει από την ατμόσφαιρα, το φέρινγκ δεν εξυπηρετεί πλέον τον σκοπό του και σε αυτό το σημείο, για να μειωθεί το βάρος του πυραύλου, το φέρινγκ διαχωρίζεται από το όχημα εκτόξευσης. Για να εξασφαλιστεί η μετάδοση δεδομένων μεταξύ του ωφέλιμου φορτίου μέσα στο φέρινγκ και του εξωτερικού κόσμου πριν από τον διαχωρισμό, το φέρινγκ έχει γενικά δυνατότητες μετάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Επί του παρόντος, τα δορυφορικά φέρινγκ τόσο σε εγχώριο όσο και σε διεθνές επίπεδο εμπίπτουν κυρίως σε δύο κατηγορίες: μεταλλικές κατασκευές με πριτσίνια και κατασκευές από σύνθετα υλικά. Οι μεταλλικές κατασκευές με πριτσίνια χρησιμοποιούν συνήθως κράματα αλουμινίου, ενώ οι δομές από σύνθετα υλικά χρησιμοποιούν σύνθετα υλικά με βάση τη ρητίνη-με ικανότητα μετάδοσης{10}κυμάτων. Τα Fairings που σχεδιάζονται και κατασκευάζονται από σύνθετα υλικά με βάση τη ρητίνη-μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά το δομικό βάρος κατά 20%-30%, αυξάνοντας τη χωρητικότητα ωφέλιμου φορτίου πυραύλων και μειώνοντας την κατανάλωση καυσίμου κινητήρα κάτω από το ίδιο ωφέλιμο φορτίο, μειώνοντας έτσι το κόστος εκτόξευσης πυραύλων. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά από ίνες{18}}με βάση τη ρητίνη προσφέρουν μεγαλύτερη σχεδιαστική ευελιξία από τα μεταλλικά υλικά, επιτρέποντας την ολοκληρωμένη σχεδίαση και κατασκευή, μειώνοντας τον αριθμό των δομικών στοιχείων και βελτιώνοντας τη δομική αξιοπιστία. Η εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, η αντοχή στην υγρασία, η αντίσταση στην ακτινοβολία και η αντοχή στην κόπωση των σύνθετων υλικών ινών με βάση τη ρητίνη επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής της δομής φέρινγκ, επιτρέποντας έτσι την ανάκτηση του φέρινγκ.

2.1 Υλικά πάνελ Η δομή του πίνακα παρέχει το αεροδυναμικό σχήμα του φέρινγκ. Το υλικό του πάνελ είναι ένα σύνθετο υλικό με βάση τη ρητίνη-, που αποτελείται από υλικό μήτρας και ενισχυτικά υλικά. Τα σύνθετα υλικά με βάση τη ρητίνη-είναι ελαφριά, υψηλής-αντοχής και αντοχής στη θερμότητα-με υψηλή ευελιξία σχεδιασμού και μπορούν να επιτύχουν λειτουργικότητα μετάδοσης κυμάτων σε μεγάλο εύρος, καθιστώντας τα ιδανικά υλικά για φέρινγκ. Αυτό το κεφάλαιο κάνει μια ανασκόπηση των υλικών φέρινγκ που χρησιμοποιούνται συνήθως από ίνες και ρητίνες- τόσο εγχώρια όσο και διεθνώς.

2.1.1 Υλικά ινών Τα σύνθετα υλικά με βάση τη ρητίνη-έχουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή ειδική αντοχή και υψηλό ειδικό συντελεστή. Υλικά ενίσχυσης υψηλής απόδοσης που χρησιμοποιούνται συνήθως σε πάνελ φέρινγκ τόσο εγχώρια όσο και διεθνώς περιλαμβάνουν ίνες άνθρακα, ίνες γυαλιού και ίνες αραμιδίου.

Οι ίνες άνθρακα διαθέτουν πολλές εξαιρετικές ιδιότητες, όπως υψηλή αξονική αντοχή και μέτρο, χαμηλή πυκνότητα, χωρίς ερπυσμό, καλή αντοχή στην κόπωση, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και απόδοση ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης. Έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον αεροδιαστημικό τομέα.υαλοβάμβακαείναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ενισχυτικό υλικό για-διαφανή δέρματα φέρινγκ, με πλεονεκτήματα όπως υψηλή αντοχή, εξαιρετικές διηλεκτρικές ιδιότητες, χαμηλή απορρόφηση υγρασίας και σταθερότητα διαστάσεων. Χαλαζίαςυαλοβάμβακαέχει τις καλύτερες διηλεκτρικές ιδιότητες από όλες τις ίνες γυαλιού, παραμένοντας ουσιαστικά αμετάβλητες σε μια ευρεία ζώνη συχνοτήτων, επιτρέποντας ευρυζωνική μετάδοση κυμάτων στα φέρινγκ. Επιπλέον, η ίνα χαλαζία παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση μετάδοσης κυμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες και τα περισσότερα προηγμένα φέρινγκ στο εξωτερικό χρησιμοποιούν επί του παρόντος τις ίνες χαλαζία ως ενισχυτικό υλικό. Η ίνα αραμιδίου, μια ειδική ίνα-υψηλής τεχνολογίας, διαθέτει υψηλή αντοχή και υψηλό συντελεστή, εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα και επιβράδυνση στη φλόγα και χρησιμοποιείται σε αεροδιαστημικές εφαρμογές, όπως αλεξίσφαιρα γιλέκα και κράνη αραμιδίου. Ωστόσο, η υγροσκοπική φύση της ίνας αραμιδίου επηρεάζει τις διηλεκτρικές της ιδιότητες, περιορίζοντας την εφαρμογή της σε διαφανή φέρινγκ κυμάτων.

2.1.2 Υλικά ρητίνης Τα Fairings συνήθως χρησιμοποιούν θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες υψηλής απόδοσης ως υλικό μήτρας πάνελ, συμπεριλαμβανομένης της εποξειδικής ρητίνης (EP), της ρητίνης βισμαλεϊμιδίου (BMI) και της ρητίνης κυανικού εστέρα (CE), κ.λπ. Η εποξειδική ρητίνη είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό ρητίνης. Διαθέτει εξαιρετικές θερμοδυναμικές ιδιότητες, ισχυρή δυνατότητα επεξεργασίας και ανώτερες ηλεκτρικές ιδιότητες, καθιστώντας το βασικό στοιχείο σε σύνθετες μήτρες ρητίνης. Ωστόσο, η εποξειδική ρητίνη υποφέρει από κακή αντοχή στην κρούση και σημαντική μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων σε συνθήκες υγρασίας και ζέστης. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί στην προσθήκη εύκαμπτων ομάδων σε εποξειδικά συστήματα για τη βελτίωση της σκληρότητας και της αντοχής τους στη θερμότητα. Η ρητίνη βισμαλεϊμιδίου (BMI), ως αρωματικό πολυϊμιδικό υλικό, διαθέτει εξαιρετική αντοχή σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, υψηλή αντοχή και συντελεστή, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, χαμηλή διηλεκτρική σταθερά και απώλεια, χαμηλές πτητικές ουσίες υπό κενό και χαμηλής πτητικότητας συμπυκνώσιμα. Μοιράζεται επίσης παρόμοια πλεονεκτήματα με την εποξική ρητίνη, όπως η ευκολία επεξεργασίας, και χρησιμοποιείται ευρέως στον αεροδιαστημικό τομέα. Ωστόσο, τα μειονεκτήματά του περιλαμβάνουν υψηλό σημείο τήξης, κακή διαλυτότητα και υψηλή ευθραυστότητα. Η ρητίνη κυανικού εστέρα (CE) είναι ένας νέος τύπος ρητίνης που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980. Διαθέτει χαμηλή διηλεκτρική σταθερά, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στην υγρή θερμότητα και χρησιμοποιείται κυρίως σε-πίνακες τυπωμένων κυκλωμάτων υψηλής απόδοσης και διαφανή δομικά υλικά υψηλής απόδοσης. Τα μειονεκτήματά του περιλαμβάνουν υψηλή ευθραυστότητα και κακή σκληρότητα μετά τη σκλήρυνση. Για να αυξηθεί η σκληρότητα του συστήματος ρητίνης, ο ΔΜΣ και το CE χρησιμοποιούν γενικά συστήματα σκληρυμένης τροποποιημένης μικτής ρητίνης ως τη μήτρα σύνθετου υλικού. Τα τροποποιημένα συστήματα BMI και ρητίνης CE, ενώ εξασφαλίζουν εξαιρετική αντοχή στην υγρή θερμότητα και τις διηλεκτρικές ιδιότητες, μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή σε κρούση της δομής.

2.2 Υλικά σάντουιτς Η δομή σάντουιτς φέρινγκ παίζει υποστηρικτικό ρόλο για το υλικό του πάνελ και οι παράμετροι απόδοσης επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τις μηχανικές ιδιότητες του τμήματος εκπομπής κυμάτων-του φέρινγκ. Το υλικό σάντουιτς πρέπει να πληροί τις ακόλουθες απαιτήσεις: χαμηλή πυκνότητα, υψηλό μέτρο θλίψης, υψηλό μέτρο διάτμησης, υψηλή αντοχή σε κάμψη και εξαιρετικές διηλεκτρικές ιδιότητες. Τα κύρια υλικά σάντουιτς φέρινγκ που πληρούν αυτές τις απαιτήσεις είναι:υαλοβάμβακακηρήθρα, κηρήθρα αλουμινίου, χάρτινη κηρήθρα Nomex και κηρήθρα αφρού PMI (μεθακρυλικός πολυμεθυλεστέρας).

Η κηρήθρα από υαλοβάμβακα έχει ασήμαντο αποτέλεσμα μείωσης βάρους και κακές μηχανικές ιδιότητες. Στον τομέα της αεροδιαστημικής, η χάρτινη κηρήθρα Nomex και η κηρήθρα με αφρό PMI την αντικατέστησαν σταδιακά. ο συνδυασμός κυψελών αλουμινίου και πάνελ από ανθρακονήματα μπορεί να προκαλέσει ηλεκτροχημική διάβρωση, αποτυγχάνοντας να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις αντοχής στη διάβρωση των σύνθετων υλικών στο σκληρό περιβάλλον των διαστημικών σκαφών. Η χάρτινη κηρήθρα Nomex είναι κατασκευασμένη από αραμίδιο εμποτισμένο με φαινολική ρητίνη και ο συνδυασμός κυψελοειδών πλαισίων Nomex και ανθρακονημάτων δεν προκαλεί ηλεκτροχημική διάβρωση, έχει υψηλότερο συντελεστή διάτμησης από τον άκαμπτο αφρό PMI, είναι χαμηλότερο σε κόστος, έχει καλή δυνατότητα επεξεργασίας και χρησιμοποιείται ευρέως στην άτρακτο, στους συνδετήρες και σε άλλα μέρη. Η δομή σάντουιτς με αφρό PMI είναι ανώτερη από άλλες δομές σάντουιτς κηρήθρας σε πολλές μηχανικές ιδιότητες και είναι μια άκαμπτη δομή υψηλής-ακαμψίας. Με αντοχή εφελκυσμού που υπερβαίνει τα 0,5 MPa, πυκνότητα κάτω από 100 kg/m³ και θερμοκρασία παραμόρφωσης θερμότητας που φτάνει τους 240 βαθμούς, το PMI εμφανίζει εξαιρετική αντοχή στη διεπιφανειακή σύνδεση με θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες όπως EP, BMI και CE. Ως δομή σάντουιτς, είναι λιγότερο επιρρεπής σε αποκόλληση από τη διεπαφή του πίνακα. Επιπλέον, οι δομές PMI προσφέρουν εξαιρετική απόδοση μετάδοσης κυμάτων, επιτρέποντας ευρυζωνική μετάδοση κυμάτων ενώ πληρούν τις απαιτήσεις φορτίου. Χρησιμοποιείται ευρέως σε φέρινγκ στο εξωτερικό και στο εσωτερικό, χρησιμοποιείται κυρίως σε δομικά στοιχεία πολιτικών αεροσκαφών. Η νέα γενιά οχημάτων εκτόξευσης{10}}η σειρά Long March 3A-υιοθέτησε μια εγχώρια κατασκευή σάντουιτς PMI για τον μπροστινό κώνο του φέρινγκ, μειώνοντας το κόστος εκτόξευσης δορυφόρων και επιδεικνύοντας ευρείες προοπτικές εφαρμογής.

Τρέχουσα Κατάσταση Ανάπτυξης Υλικού Εγχώριου Fairing

Για να καλύψουν τις μελλοντικές ανάγκες ανάπτυξης φέρινγκ για οχήματα εκτόξευσης και άλλα διαστημόπλοια της χώρας μου, διάφορα πανεπιστήμια και ερευνητικά ινστιτούτα στην Κίνα έχουν επικεντρωθεί στην τροποποίηση σύνθετων υλικών από ίνες για να σχεδιάσουν και να αναπτύξουν σύνθετα υλικά υψηλής{0}απόδοσης και χαμηλού{1}}κόστους. Αυτό έχει βελτιώσει την ικανότητα του οχήματος εκτόξευσης να έχει πρόσβαση στο διάστημα και έχει μειώσει τους κύκλους εκτόξευσης και το κόστος.

Στην έρευνα υλικών με βάση τη ρητίνη-για φέρινγκ οχημάτων εκτόξευσης, οι Yang Shiyong et al. από το Ινστιτούτο Χημείας, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, έχουν αναπτύξει μια σειρά μητρών πολυϊμιδικής ρητίνης, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης γενιάς ανθεκτική στους 316 βαθμούς, της δεύτερης γενιάς ανθεκτικών στους 371 βαθμούς και της τρίτης γενιάς ανθεκτικών στους 426 βαθμούς. Επίσης, έχουν αναπτύξει διαφορετικές μεθόδους χύτευσης για σύνθετα υλικά μήτρας ρητίνης ενισχυμένα με ανθρακονήματα ανθεκτικά σε υψηλές-υψηλές θερμοκρασίες, συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογίας αυτόκλειστου κενού, της τεχνολογίας RTM υψηλής{7}}θερμοκρασίας κενού και της τεχνολογίας αντιδραστικής θερμής χύτευσης. Ο He Guowen διεξήγαγε μελέτες μικροσκοπικής ανάλυσης σχετικά με την προετοιμασία και την αντοχή διεπιφανειακής σύνδεσης σύνθετων πολυϊμιδικών υλικών, παρέχοντας μια αναφορά για την εφαρμογή σύνθετων πολυϊμιδίου σε φέρινγκ αεροσκαφών. Ο Rao Xianhua από το Πανεπιστήμιο Jilin διεξήγαγε έρευνα σχετικά με μήτρες πολυϊμιδικής ρητίνης υψηλής απόδοσης{10}}με τερματικό φαινυλακετυλένιο{{11} και τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, διευρύνοντας τους ορίζοντες για την ανάπτυξη σύνθετων σύνθετων ινών άνθρακα πολυιμιδίου ανθεκτικών σε υψηλές θερμοκρασίες. Το Ερευνητικό Ινστιτούτο Αεροδιαστημικών Υλικών και Διεργασιών έχει αναπτύξει ένα σύνθετο υλικό με ενισχυμένο με χαλαζία-πολυιμίδιο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί μακροπρόθεσμα σε θερμοκρασίες έως 370 βαθμούς. Αυτό το υλικό εμφανίζει επίσης χαμηλή διηλεκτρική σταθερά και διηλεκτρικές απώλειες, σταθερή απόδοση και εξαιρετικές διηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες, καθιστώντας το κατάλληλο υποψήφιο για λειτουργικό υλικό-διαφανές/υψηλού{19}}που φέρει-κύμα. Οι Zhang Xing et al. σχεδίασε ένα πλήρως κυματιστό-διαφανές δορυφορικό φέρινγκ χρησιμοποιώντας ένα πάνελ από γυάλινες ίνες-δομή σάντουιτς με κηρήθρα από αραμίδιο. Πειραματικά αποτελέσματα επαλήθευσαν ότι επιτυγχάνει ικανότητα μετάδοσης κυμάτων υψηλής απόδοσης-με μέσο ρυθμό μετάδοσης κύματος 90%. Ακόμη και με μείωση βάρους άνω του 20%, η φέρουσα ικανότητα φορτίου{{30} εξακολουθεί να πληροί τις απαιτήσεις σχεδιασμού, επιτυγχάνοντας ελαφριά, υψηλού φορτίου-ικανότητα μεταφοράς και πανκατευθυντική λειτουργία μετάδοσης κυμάτων, η οποία έχει επαληθευτεί σε πτητικές δοκιμές. Ο Qu Guangyan του Ερευνητικού Ινστιτούτου Harbin FRP σχεδίασε μια ελαφριά, υψηλής{33}}αντοχής και πάχους-ελεγχόμενης δομής φέρινγκ από σύνθετο υλικό χρησιμοποιώντας μια διαδικασία συν-πολυμερισμού σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα υψηλής{-αντοχής-. Αυτό ξεπερνά τις προκλήσεις σχεδιασμού καλουπιών που επιφέρει η-ολοκληρωμένη τεχνολογία χύτευσης μεγάλης κλίμακας. Το φέρινγκ από σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα υψηλής αντοχής διατηρεί το αεροδυναμικό του σχήμα, διασφαλίζοντας παράλληλα μεγάλες διαστάσεις, προστατεύοντας το εσωτερικό ωφέλιμο φορτίο από εξωτερικές περιβαλλοντικές επιρροές.

Τρέχουσα Κατάσταση Ανάπτυξης Υλικού Fairing στο Εξωτερικό

Οι Ηνωμένες Πολιτείες διαθέτουν την πιο προηγμένη τεχνολογία στο σχεδιασμό και την κατασκευή υλικών φέρινγκ οχημάτων εκτόξευσης. Τα υλικά Fairing περιλαμβάνουν τόσο ανόργανα όσο και οργανικά υλικά και οι διεργασίες χύτευσης περιλαμβάνουν τη σακούλα σε κενό, τη χύτευση και τη χύτευση. Οι ΗΠΑ διαθέτουν ολοκληρωμένες δοκιμές απόδοσης φέρινγκ και πειραματικές μεθόδους, καθώς και τεχνολογία αεροδυναμικής σήραγγας για πραγματικές δοκιμές-του κόσμου. Στη δεκαετία του 1970, οι ΗΠΑ ανέπτυξαν το σύνθετο υλικό Duroid 5870 και ολοκλήρωσαν δοκιμές σχετικά με τη θερμική φόρτιση του φέρινγκ, τις ηλεκτρικές ιδιότητες υψηλής{{6} θερμοκρασίας, την κατάλυση και την αντοχή στη διάβρωση από τη βροχή. Ανέπτυξε επίσης αυτοματοποιημένο εξοπλισμό δοκιμών φέρινγκ για δοκιμές ηλεκτρικής απόδοσης. Επί του παρόντος, στο σύστημα σύνθετων υλικών (HTPMCs) με-ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες οργανικής ρητίνης{10}, οι ρητίνες PI (PMR{15}}15 και PMR-50) που αναπτύχθηκαν από τις ΗΠΑ έχουν γίνει θεμελιώδη υλικά στην αεροδιαστημική βιομηχανία, προωθώντας σημαντικά την εφαρμογή υλικών ανακατασκευής PIo. Οι εξαιρετικές διηλεκτρικές ιδιότητες της ίνας χαλαζία διευκολύνουν την ευρυζωνική μετάδοση κυμάτων και τα περισσότερα ξένα φέρινγκ οχημάτων εκτόξευσης είναι πλέον κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά ινών χαλαζία. Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει μια σύνθετη δομή φέρινγκ από ρητίνη PI ενισχυμένη με ίνες χαλαζία-με θερμοκρασία λειτουργίας που υπερβαίνει τους 538 βαθμούς. Η Ρωσία κατέχει{21}}την κορυφαία παγκοσμίως τεχνολογία κατασκευής σύνθετων υλικών. Κατά την ανάπτυξη και εφαρμογή προηγμένων υλικών ανθεκτικών σε υψηλές θερμοκρασίες, έχει επίσης αναπτύξει νέα σύνθετα υλικά κατάλληλα για ευρυζωνικά φέρινγκ και ηλεκτρομαγνητικά/υπέρυθρα φέρινγκ διπλής λειτουργίας. Ταυτόχρονα, ενισχύει την έρευνα για τις τεχνολογίες επεξεργασίας και κατασκευής φέρινγκ, εστιάζοντας στο σχεδιασμό δομικών και ηλεκτρικών επιδόσεων των φέρινγκ. Η τροποποιημένη φαινολική ρητίνη που αναπτύχθηκε από τη Ρωσία έχει επιτύχει πολύ υψηλά επίπεδα απόδοσης επεξεργασίας και μετάδοσης κυμάτων, με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 600 βαθμούς, και έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε ευρυζωνικά φέρινγκ.