航天智能复合材料的发展与应用

张晓岚

(上海航天信息研究所,上海 201109)

0 引言

智能复合材料是一类能感知环境变化,通过自我判断得出结论,并自主执行相应指令的材料,仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴,通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤)、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论)和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性),集合了传感、控制和驱动功能,能适时感知和响应外界环境变化,作出判断,发出指令,并执行和完成动作,使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力,是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性,将使航天结构的性能产生巨大变化,对推动航天技术进步有重大意义,已受到各国关注。近年来,国内外对智能复合材料进行了大量的航天应用研发,重点是结构健康监测、结构运行、自适应和振动抑制。为此,本文对航天智能复合材料的发展和应用进行了综述。

1 系统组成

智能复合材料通常是在成型过程中,将传感材料、致动材料紧密地融合到预浸料铺层、湿片铺层、纤维铺放、纤维缠绕和树脂传递模塑(RTM)等复合材料上,同时通过与之集成的控制器,使复合材料在承受机械载荷的同时,能自诊断、自适应、自愈合,实现复合材料的智能功能。其关键是微电子技术、计算机技术与材料科学的交叉应用。

实现智能功能的关键是传感器、致动器和控制器。

a)传感器 包括光导纤维、压电陶瓷、压电薄膜和电阻应变丝等,其主要作用是感知外界环境的变化。其中：光导纤维主要用于测量微应变和传输光信息;压电材料有压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物,因具有压电效应,在受应变时表面产生电荷,在施加电场时能产生应变,故既是传感器,又可作为致动器。

b)致动器 埋在复合材料中,在接受到激励能后可产生改变结构形状、刚度、位置、应力状态等动作。主要有记忆合金、压电材料、电流变现象和磁致伸缩等,要求性能稳定、响应快、易于控制和激励能小。近年来,航天结构用电活化聚合物和导电聚合物致动器也在开发之中[1]。

c)控制器 功能是传递来自传感器的信息,处理、变换和识别这些信息,诊断、预测和作出决策,触发致动器以改变材料的响应特性[2]。

当前,智能复合材料在许多领域有广阔的应用,如机械装置噪声与振动的自我控制,飞机的智能蒙皮与自适应机翼,桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自愈合功能,以及智能纺织品等。

2 结构健康监测

飞行器结构健康监测系统(SHMS)是将先进的传感/驱动网络集成在飞行器结构中,通过在线监测飞行过程中重要构件的应变(临界载荷)、振动模态(当裂纹与振动产生的应力正交时敏感度更高)和声发射(结构承载时因损伤而产生的应力波)等信息的变化,采用先进信息处理、计算分析和损伤模式识别等方法,判定损伤的性质、位置和程度。目前多采用光纤和压电传感器进行检测,其关键技术是利用各种新型复合材料制备高敏感度传感器器件,通过力、热、声等对飞行器进行微信号监测。

结构健康监测技术可实现复合材料固化工艺的实时监控;监测复合材料结构在制造、运输、贮存期间可能产生的结构损伤,及时检测出可能产生的基体与纤维断裂、分层,衬层与复合材料层脱粘,以及受到的冲击损伤;进行寿命预测的自诊断;自动抑制损伤扩展和自动修补。这些对保障导弹和航天器可靠工作、防止发生灾难性事故有重要意义。近年来,国内外对飞行器的结构健康监测研究取得了较大进展,多集中在先进信息处理技术领域,如神经网络、小波分析、Hilbert Huang变换等。

美国Acellent技术公司对固体火箭发动机和液体燃料贮箱结构完整性监测进行了研究。所检测的纤维缠绕复合材料容器直径380 mm,长500 mm。在壳体中周向等间隔埋设8条带子,每条带上约等间距地有5个直径6.4 mm、厚0.25 mm的压电传感器,40个传感器大致成为一个彼此等间距的正方形网格,其中4条带埋在铝内衬的环向缠绕层上,4条埋在表层缠绕层下,壳体缠绕完成后在温度177℃固化。用球锤冲击人为制造了1个直径约12 mm的损伤。将检测到的损伤前后的传感器信号进行比较,并对各传感器的距离作归一化处理,组合各信号图即可显示冲击损伤的大致位置和损伤程度,如图1所示[3]。

图1 冲击损伤监测Fig.1 Shocking damage detection

2001年,德国的ECHE等研制出一套基于12个FBG传感器的空间分布式传感网络系统,用于X-38飞行器本体结构的健康监测。12个光纤光栅传感器被安置在4个光纤传感器垫上,每个传感器垫上有1个温度传感器和2个二维垂直分布的应变传感器。FBG传感器被黏贴于X-38飞行器背部元件的表面,用于监测飞船在发射和返航过程中的力学载荷和热载荷。通过测量高载荷结构部件的空间温度分布和应变,可估算飞行器主要结构部件的剩余寿命,实现了对飞行器的健康监测[4]。

2004年,日本TOSHIMICH等利用压电陶瓷(PZT)致动器/FBG传感器,实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测。为监测组成航天器的复合材料内部出现的损伤,将FBG传感受器埋入碳纤维增强塑料(CFRP)叠层结构中,利用PZT致动器发射弹性波。当在弹性波传播方向存在损伤时,弹性波强度会衰减,波速出现变化,利用快速响应和高精度的FBG传感器,可探测损伤的存在。研究表明：当PZT致动器和FBG传感器相距5 cm时,可探测到频率300 k Hz的弹性波[4]。

日本国家航天开发署(NASDA)将光纤敏感器置入全尺寸实验型希望号空天飞机(HOPE-X)的碳纤维复合材料机身,监测制造过程中工艺控制和结构质量。使用的传感器有两种：一是光纤温度激光雷达(FTR),用于测量温度和沿光纤的温度分布;另一是布里渊光时区域反射器(BOTDR),用于测量应变。监测光纤与微机系统相连,采集和分析数据。该系统成功监测了生产过程的温度和应变分布,还可测量结构试验期间机身在静态载荷下的应变。因为应变数据沿光纤连续采集,故可检查机身的总体变形[5]。

3 结构自适应、减振和自愈合

结构自适应是指航天器在飞行过程中能根据工作环境要求改变自身的构型和外形,以达到最优性能。为保证卫星天线反射器的表面精度,须消除由制造工艺、在轨热畸变、吸湿、结构连接松动、材料降解和蠕变形成的表面偏差,这对通信卫星、光学观测卫星、空间站等各类航天器均有重要应用价值。20世纪90年代,在航天领域的结构自适应研究已展开,所用传感和致动元件主要有压电聚合物、压电陶瓷、记忆合金、电流变流体和光纤,在各种空间结构中的应用已越来越多。如在空间望远镜支撑结构中埋入传感器和致动器,可精确感受结构状态,并按系统要求自动调整结构的几何形状,维持结构的准确外形和位置[6、7]。

结构减振智能复合材料与自适应材料相似,但航天领域对结构减振的需求更迫切,因为大型空间结构几何尺寸的增加和大量采用小阻尼的轻型结构,其振动频率与控制频率越来越接近,甚至部分重叠,不可避免会产生伴随振动,这已成为空间结构实际应用中重要的问题。可采用被动控制和主动控制两种方式抑制结构振动。前者常应用黏弹材料,效果一般;后者效果好,但须有外界能量输入。利用智能结构抑制结构振动,可兼具两者的优点。压电材料是使用最多的一种传感和驱动元件,通过埋入压电传感器,获得结构振动信息,在此过程中通过负载电阻消耗了电能,实现了振动的部分抑制。由计算机对所得信息进行模态分析,形成信号触发压电驱动器,有效抵消原始振动信号。一种空间站智能桁架机械手如图2所示。其中装有可控压电致动器,每个致动器均有位移和力反馈系统。通过传感器测得的信息,控制压电致动器进行振动和形状控制[6、8]。

图2 智能桁架机械手Fig.2 Intelligent truss manipulator

自愈合是智能复合材料的另一种重要功能,可使复合材料部件内部的损伤及裂纹的自愈合成为可能。自愈合的核心是能量与物质的补给、模仿生物体损伤愈合的原理使复合材料的内部或外部损伤能自愈合,以消除隐患、增强材料强度和延长使用寿命。修复过程的物质补给由流体(或流体与固体粉末混合物)提供,能量补给由化学作用实现。自愈合采用微粒子或中空纤维封装技术,将修复用树脂或固化剂放入脆性壳内或中空纤维中,可将修复物质与树脂体系的树脂基体一体化。这两种方法可分别或同时用于生产有自愈合能力的复合材料(如图3所示)。所有中空纤维均可用单组份树脂或双组份树脂填充,可将树脂装入0°铺向的纤维,而固化剂装入90°铺向的纤维;或将一种组份装入中空纤维,另一组份分散在基体(或脆性壳、微胶囊)中。当复合材料内部出现裂纹时,中空纤维发生断裂,其中的树脂流向发生损伤部位,与固化剂结合固化,从而实现修复。

图3 聚合物基复合材料自愈合示意Fig.3 Self-healing of polymer composite

自愈合复合材料主要有金属基、陶瓷基和聚合物基三类。聚合物基自愈合复合材料是当前的研究热点,采用的方法有液芯纤维法、微胶囊法及热可逆交联反应法。

4 弹性记忆复合材料

EMC是一种特殊的功能材料,综合了感知和驱动,属智能材料范畴,除具普通聚合物复合材料的高比强度、高比刚度和低密度外,还有空间展开技术要求的高折叠变形率和简单可靠的展开恢复变形能力等优点[7]。

EMC记忆机理不同于记忆合金和陶瓷。它是基于聚合物材料中分子链的取向与分布即内部分子间相互作用,而并非马氏体相变。弹性记忆复合材料可采用常规的复合材料工艺制作,在固化成型后其力学性能接近于普通高性能复合材料,不同的是当温度升至高于玻璃化温度时,呈现出低模量和高破坏应变,可按各种设计要求卷曲折叠,在降至玻璃化温度以下后包装形状不会发生变化。在再次加热至高于玻璃化温度时,因其聚合物基体有记忆功能,无需施加任何外力材料会恢复至初次固化成型的形状。随着温度改变,该过程可反复进行,不会对材料性能产生影响。EMC典型基体材料为环氧类和氰酸酯类聚合物。美国复合材料技术开发公司(CTD)以上述两类聚合物为基体,研制了多种在空间展开的致动器和结构。

弹性记忆复合材料的独特性能对航天结构尤为适用,如可将大型空间结构在地面紧凑包装,发射升空后再伸展开。因复合材料密度低,强度和模量高,所设计的部件质量可很小,且集结构部件和伸展机构于一体,展开过程通过加热即可实现,无需电机、轴承、位置传感器与复杂的电子控制装置和软件,以及另外配备传统机械展开装置,可实现简单、轻便、鲁棒的可展开复合材料结构。已经设计使用的有铰链和释放装置,大型结构件有杆件和板等。预计该技术将会有较快发展,并拓展至汽车、采油等领域。

4.1 EMC铰链/致动器

EMC铰链/致动器质量轻、成本低,具碳纤维增强复合材料的典型结构效率,展开时冲击低且可控,可用于替代传统的机械式铰链/致动器展开光学反射器、辐射计和太阳电池阵等各种飞行器结构[9]。CTD公司已研制了由2块弯曲并嵌有加热器的EMC板、2个端接头4个部件构成的EMC的铰链/致动器。该铰链将先在国际空间站的ENCH实验中验证其零重力环境中的运行能力,再在DINO卫星的空间翼和地鹃(Road Runner)卫星的太阳电池阵上进行验证[7、10、11]。

EMC铰链/致动器还可用于未来的天基光学系统展开机构。发射时反射器为有效封装形式,在轨能展开为大孔径,提高分辨率或光学传输能力。在大型光学反射器上装配展开机构会影响反射器的尺寸稳定性。限制尺寸稳定性,并使主动对准控制系统复杂化的关键结构响应被称为非线性微动力学响应,该响应缘于展开铰链和锁。以往一直采用机械铰链和锁设计。这些机构有较高的微动力学稳定性,但最好的展开机构的展开精度及其稳定性也仅为微米级,且质量相对较大,结构较复杂[10]。

复合材料技术开发公司与科罗拉多大学合作研制,在对精度和准确度以及可靠性与重现性要求极高的光学系统中,采用自锁线性致动器的EMC铰链。如,该技术可用于6瓣可展开反射系统各瓣的展开,测光测距(LIDAR)3 m级的可展开天基望远镜(如图4所示)。用EMC铰链取代机械致动器,不仅展开操作冲击低、可控,而且取消机械碰撞,有可能消除展开后的微动力学不稳定性。EMC机构轻型、简单、热膨胀率极低,特别适于光学系统。

图4 LIDAR的3 m级可展开反射器系统及每块瓣的单独封装及展开构型Fig.4 Packaged and deployed for LIDAR 3-meter-class deployable reflector system and individual package

4.2 EMC热致动释放螺母

航天系统每年使用大量火工品致动的释放机构以实现航天器部件展开。这些机构的主要缺点是产生大冲击力,形成环境污染,且需专门的贮运方式。近年来开发的机电式释放机构虽有很大进展,但结构复杂,质量较大。为此美国CTD公司和Starsys公司共同开发了一种用EMC材料制作的热致动释放螺母,其关键部件是2个不同直径的EMC圆筒。其工作原理为：圆筒固化后加热至高于其玻璃化温度的高温,分别将大圆筒的下端和小圆筒的上端模压成锥形,2个带锥的圆筒套在一起形成完全啮合(如图5(a)所示),可承受要求的设计载荷。需要释放时,加热其中任一圆筒(或同时加热),圆筒的锥形部位即可恢复为原圆筒形(如图5(b)、(c)所示),啮合状态将完全解除。由于EMC部件的黏弹性,此释放过程较缓慢(30 s),故无冲击作用产生。该机构的结构简单,质量小,且有高可靠性[10～12]。

图5 EMC热致释放系统原理Fig.5 Principleof EMC thermal release system

4.3 EMC伸缩式悬臂

可伸展式EMC悬臂可显著提高小卫星功能。如用可伸展式悬臂将微推力离子推力室放置卫星端部,可使推力室的力臂增大1～2个量级,从而明显减少姿控系统的燃料需求。CTD公司和美空军正合作开发此悬臂系统,用于空军学院猎鹰-3(FalconSat-3)微型卫星,主要性能要求有：悬臂端部质量7.8 kg,悬臂系统质量≯9.0 kg,悬臂总长3.3 m,收置时尺寸400 mm×280 mm。提出的设计有二纵梁和三纵梁两种方案,其中的三纵梁方案如图6所示。目前,CTD公司的7 m长可存储管状伸缩杆已研制成功,与现有的铍-铜合金或不锈钢可存储伸缩杆相比,存储应变能量降低了约2个量级。EMC材料技术还将拓展到极大型可展开式天线,目前在研的DSX/PowerSail实验型展开结构将用于新一代极大型高功率太阳电池阵[7、13、14]。

图6 FalconSat-3的三纵梁EMC筒式悬臂Fig.6 Proposed falconsat-3 three-longeron EMC tubular boom in both a packaged

5 结束语

智能复合材料是复合材料领域的重要发展方向。因同时具备生命智能的三要素,能适时感知和响应外界环境的变化,作出判断,发出指令,并执行和完成动作,使材料有类似生命体的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力,对在空间环境中工作的航天结构来说,其实用价值较大。近年来,各空间大国均已进行了大量研究和开发,部分技术已接近实用阶段。可以预见,其进一步开发必将对航天技术的进步产生重大影响。

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