航天先进材料技术#航天工程系列

航天材料及工艺技术作为支撑航天运载器发展的基础性核心技术，在推进航天事业方面发挥着关键作用
，它们不仅涵盖了前沿技术和核心技术领域，
而且对确保运载器性能指标具有决定性影响
。
这些技术参数全面地渗透到每一个航天产品的设计、制造、试验和使用维护的全生命周期中
。
其中的关键性能指标对其发展具有重要影响
。

随着航天运载器装备的迭代更新速度日益加快，在性能指标上持续提高的同时, 运载火箭结构朝着整体化布局、大型化设计和轻量化优化迈进, 总体效能与可靠性水平显著提升。随着科技的进步, 各类航天运载器正在向着高射程、高精度的方向持续进化, 不仅其打击效能持续提升, 并在天地往返运输服务、天基跨地域作战等方面实现了全方位推进, 而要推动新型航天运载器的发展, 必须不断突破先进材料和先进技术工艺的关键创新瓶颈。

随着现代空间站建设、载人登月任务与行星探测等重大航天工程的提出要求日益提高，在运载火箭领域的发展趋势主要表现为以下三个特点：首先是尺寸大型化的推进方向，在这一方向上以10米级超大直径重型运载火箭为典型代表的箭体结构研发已成为航天强国建设的重要标志之一；其次是向轻质化的方向深化发展，在这一方向上箭体结构效率及高性能材料的应用研发成为关键所在，并且整体化高精度制造技术的应用同样不可或缺；最后是实现重复使用的技术突破，在这一领域内回收系统及返回防热机构的研制已形成迫切需求

除了传统构型运载火箭之外，
航天运载器的研究方向日益融合，
空天跨领域结合飞行器已然成为这一类航天运载器在当前世界航天竞争中的技术前沿领域，
尤其是快速多模模式下的航天运载器发展备受关注，
其主要特点体现在对抗极端力热环境承载能力的舱段设计、翼舵系统以及热防护需求等方面。
从结构优化的角度来看，
轻量化设计与模块化集成是当前研究的主要方向，
而采用纤维增强复合材料实现结构功能一体化则成为提升性能的重要途径。

航天器研制的关键支撑是高性能材料体系，在减轻重量的同时兼顾强度要求是航天结构材料发展的永恒主题。基于极端工况环境（如高温高压低温强腐蚀等复杂条件下的）运行需求，在设计运载器性能时需要高度关注所选用结构材料本身所具有的特性与功能特性。目前来看，在国际上关于航天运载器结构材料的研究重点主要集中在轻质高强度金属材料领域（包括高强度铝合金镁合金钛合金高温合金等）以及轻质复合材料领域（包括结构功能复合材料与功能复合材料等），同时在智能化变形技术的发展探讨方面也取得了一定进展。

1. 高强铝合金

铝及其合金因其密度较低、力学性能优异以及加工焊接性能突出，在弹道舱段、储罐、支架等部位得到了广泛应用，并已成为全球多数载具运载系统的主材。高性能铝合金由于其轻质特性成为航天领域的重要材料，并主要包含2XXX系与7XXX系两种类型。根据中国航天发展的历程可划分为五个发展阶段：第一代2A12型、2014型与7A04型高强铝合金已在长征系列运载火箭以及弹体中得到广泛应用；第二代2219型、7A09型与7075型则已在该系列运载火箭及弹体中得到广泛应用；第三代7050型则已进入新一代运载火箭研制阶段；第四代7A60型、7055型与7056型正处于推广使用之中；而以7085为代表的第五代新型高强低密度合金则已进入新一代运载火箭研制的关键阶段。

铝锂合金展现出高强度、高刚度、耐腐蚀性优异以及较低密度等特点，在取代传统高强度铝合金方面具有显著优势。它能够有效减轻航天运载器结构的重量，在降低整体质量的同时提升性能表现。以2195与2198为代表的新型铝锂合金已在航天飞机外挂储箱与Falcon 9火箭等多种型号中得到广泛应用，并带来了显著的经济效益。

随着对航天装备轻量化发展的要求日益提高，
对超轻质材料的需求促使各种新型铝合金及其铝基复合材料获得广泛关注。
其中，
经过科学家引入Sc和Er元素强化后形成的高可焊耐蚀铝钪合金（如5B70型、5028型和5024型等）
以及铝锂合金
已被成功应用于国防军工领域，
其创新研发与产业化进程不仅成为当前工程应用的重点方向
也代表着未来技术发展的关键趋势。

2. 高强耐热镁合金

镁及其合金被认为是当前最轻的金属结构工程材料之一。

其比强度与比模量显著高于其他同类材料，并展现出良好的导热性和导电性特性；同时具备优异的减震性能和卓越的电磁屏蔽效果。

我国作为全球最大的镁资源生产国之一。

国内镁资源年产量约占全球总量的80%以上。

有助于推动镁合金在航天领域取代铝合金实现结构重量优化及潜在的优势明显。

高强耐热镁合金作为航天结构材料的主要应用领域，在此领域的技术发展上具有重要地位。
稀土元素强化型镁合金凭借其独特的性能特征，在多个关键指标上展现出显著的优势。
在弹箭体整体舱段结构的设计中应用镁合金材料可实现重量减轻约30%的效果。
弹箭体惯组仪器安装平台支架等关键部位已逐步推动镁合金材料在相关结构中的升级替代。
通过新型大尺寸承力镁合金壳体产品的开发与应用，在提高载荷抗拉强度方面取得了突破性进展（达到400MPa级别）。
此外，在航天运载器领域的整体轻量化水平建设中，镁合金材料的应用正发挥着越来越重要的支撑作用。

3. 高强韧钛合金

钛是地球上储量仅次于铝元素的重要轻金属材料，在航空航天领域具有重要地位。
其合金强度范围为500至1400兆帕斯卡（MPa），较铝合金与镁合金而言具有显著优势。
特别值得注意的是，在高达550摄氏度的高温环境与极端低温下的-250摄氏度环境中都能长时间维持稳定的性能。
titanium alloys已被广泛应用于航空航天领域中的关键结构部件。
为了满足航天运载器在高强度应力承载、极端超高温与超低温以及强腐蚀环境下的服务需求，
国际上已研制出多种高性能钛合金系列及其 corresponding 加工制造工艺。

面对未来空间探索中低温至高温范围内的高强度与大承载能力要求,世界各国正在积极开展600℃以上高温高强度钛合金及其固溶体Ti-Al系金属间化合物等相关材料的基础研究与实际工艺创新工作。由于室温塑性性能欠佳所带来的制约因素,针对这类材料难以实现成形加工的技术瓶颈,必须基于当前航天器总体设计对大型复杂部件精度要求日益提升这一背景,推动精密铸造技术的优化升级、超塑性成形工艺的持续创新以及扩散焊和激光焊接等先进连接方式的应用推广,从而全面提升该类材料在现代航空器中的综合运用水平。

4. 高温合金

高温合金被定义为在6月以上展现出卓越的高温热力学性能，在实际应用中主要表现为耐高温、抗氧化性和高强度特性。

它们主要分为铁基（6月-8月）、镍基（6.5月-1千度）和钴基（7.3月-1.1千度）三大类。

在航天发动机结构中被选为主用材料。

因其高密度特点使其无法满足航天运载器轻质化需求
，因此主要用于大承载力紧固件及局部承力轴舵等部位。

在快速飞行航天运载器中的舵舱部件得到了广泛应用。

此外
，新型金属间化合物如因瓦合金在低于255MPa时呈现与陶瓷相近的膨胀系数
，并因此得到广泛应用。

随着航天器技术的不断发展, 为了有效解决长时间大气层内快速飞行的飞行器部件之间的热匹配差异性问题, 需要设计出能够承受高达1000℃以上温度的耐高温合金轴系部件; 同时, 还需要深入研究高温复合材料的成型工艺; 为了满足新一代航天运载器对高强度、高可靠性紧固件制造的需求, 应重点开展基于高温合金材料的基础高强高可靠紧固件的制造、试验与评价技术研究。

5. 结构复合材料

自20世纪50年代以来, 结构复合材料的轻质高性能引起了航天领域的广泛关注与深入研究。
相较于传统的铝合金构件, 结构复合材料较之其能实现约30%的重量减轻。
主要形成了基于环氧树脂、双马来酰亚胺树脂以及耐高温聚酰亚胺树脂基体的三大类结构复合材料体系。
以碳纤维增强型树脂基复合材料为代表的技术方案, 由于其优异性能特征包括高强度比、高刚度比以及良好的尺寸稳定性等显著优势, 在运载火箭、空天飞行器等大型箭管段以及支架结构中得到了广泛应用, 并被视为减轻弹箭体重的关键技术手段。

该类结构复合材料因其优异的成型性能而备受关注，在工艺发展方面已达到最成熟阶段，在工程应用中具有极广的应用前景。其适用温度范围一般不超过180℃。随着双马来酰亚胺树脂基结构复合材料技术的进步，在提高适用温度方面取得了显著进展——将适用温度显著提升至230至280℃区间，并已形成包括TG800/802系列在内的推广应用产品。目前而言，在耐高温聚酰亚胺树脂基体系中实现将服务温度目标突破55°C以上（即升温至55°C以上）的研究方向已逐步成为当前研究热点，并且在这一领域内相关研究的目标已取得重要进展——即耐高温聚酰亚胺树脂基体系已实现将服务温度目标提升至55°C以上（即升温至55°C以上）。基于此，在快速飞行航天运载器等关键领域中相关技术已获得成功应用。

随着航天运载器对减轻重量、增加航程等性能指标的需求持续提升, 具有更高性能及高温防护等级的结构复合材料成为运载器结构复合材料的重点研发方向. 此外, 研制高性能连续纤维增强热塑性复合材料可显著提高结构设计自由度. 随着一体化技术在结构/隔热/承载功能方面的进步, 格栅结构.蜂窝网状结构.泡沫网格布局等新型架构形式与其配套的材料设计制造方案已形成一套新型轻质承力复合材料体系. 同时, 将主动隔热与雷达吸波等功能特性与承载性能相结合, 是当前_structure_composite_material_研发中的重要趋势.

6. 功能复合材料

功能复合材料主要承担着隔热与透波等特殊功能的需求，在先进高温防护系统的设计研发中占据核心地位。其技术特点在高超音速飞行器以及可重复利用的运载工具等关键领域发挥着不可替代的作用。研究者们已在功能复合材料领域已形成包括树脂基烧蚀型防热新材料体系、高通导固态高超温度防护结构体系等多个创新成果。
其中高温环境下采用烧蚀式防护策略为主流方案：依靠升华作用转移热量并通过精细设计控制其升华形态以达到优化效果；而中温阶段则主要依据低导热量特性实现隔断热量流失。

我国致力于航天领域热防护材料的研发，在烧蚀型防热复合材料领域取得了显著进展。目前组织生产碳/酚醛烧蚀型材料已取得突破性进展，并逐步推广第二代和第三代空间探测用烧蚀防热材料的应用。在C/C复合材料研究方面已成功研制出能在2000℃以上实现微量烧蚀的产品，并实现了较传统纯C/C复合材料抗烧蚀性能提升50%的目标，在防热承力一体化结构、飞行器前缘等部位得到广泛应用。同时，在透波多功能防热复合材料方面已形成快速批量化生产能力，并应用于天线罩等关键产品。

基于新型航天运载器等长时间防隔热服役需求以及重复使用运载火箭防隔热重复应用的技术保障需求，在未来阶段需要进一步加大功能复合材料基础研究力度，并持续推进原创技术开发工作。通过深入探究高温树脂性能特性和透波超材料的应用潜力，在多模式防热与一体化散热防护领域取得实质性突破性进展。重点开展高性能碳纤维 family 和碳化物纤维 family 等先进复合材料的研发工作，并推进 PCS 前驱体与 SiBCN 陶瓷基体的关键技术攻关；同时对空心玻璃微球等特种填料的关键性能参数进行系统优化设计与实验验证工作，在确保材料性能的同时提升其制备工艺技术水平。最终目标是研制具有极低密度与极低热导性能的多功能复合材料，并将其成功应用于航空航天领域中的关键部位。

7. 智能变形材料

智能变形材料不仅能够实现形状记忆效应、磁致伸缩效应以及电致伸缩效应等基础功能，并具备压电效应等特性。

随着航天运载器型号智能化和集成化的发展需求日益增长，在这一背景下, 智能材料受到了广泛关注; 尤其是在变形蒙皮技术与折叠驱动系统领域的发展阶段中, 其应用前景更加显著。

当前阶段, 在蒙皮技术与驱动系统领域中已经实现了初步探索与实践, 并且在形变结构优化方面也取得了一定成果。

鉴于目前的发展水平，在航天领域中智能材料的应用仅限于个别单一功能领域，并未达到高性能集成化运用的要求。据此可知，在未来推进智能变形材料用于航天技术方面：一方面应当从材料层面优化其综合性能指标，在协调蒙皮变形性能与防热承载能力之间寻求平衡的同时解决驱动输出能量与承载能力及变形反应速度之间的制约关系；另一方面则需加强多学科协同设计能力的提升工作，在充分利用智能材料优势的基础上推进其与其他技术模块的有效整合。