我国航天器发展对材料技术需求的思考

李明

（中国空间技术研究院，北京 100094）

我国航天器发展对材料技术需求的思考

李明

（中国空间技术研究院，北京 100094）

文章在分析我国航天器任务特点和未来发展方向的基础上，从深空探测、载人航天、应用卫星平台及载荷能力发展、空间太阳能电站等在轨长寿命服役的需求出发，提出航天器结构、热控、特殊功能、电子等方面新材料发展需求的思考。

航天器；材料；需求

1 引言

航天器是在地球大气层以外执行宇宙空间探索、开发或利用太空环境等特定任务的飞行器。经过多年发展，我国已形成通信卫星、导航卫星、对地观测卫星、科学试验卫星、载人航天器以及深空探测器等航天器系列。未来，随着我国空间任务的发展，许多新的任务在设计与制造过程中，对新材料在性能指标、稳定性、一致性和在轨服役可靠性方面提出了更高的要求。

本文对我国航天器发展现状及未来发展趋势进行了分析，以结构、热控、功能和电子等材料为例，提出航天器发展对新材料需求的思考。

2 我国航天器发展现状

2．1 通信广播卫星

我国通信广播卫星主要服务于通信、广播电视、远程教育、“村村通”工程、信息化建设等民用领域。1970年4月，我国第一颗卫星成功发射至今，已成功研制出东方红系列卫星。其中，1997年5月，利用东方红三号卫星平台研制的中星六号卫星发射成功，首次实现了中容量通信的服务能力。2006年发射的第三代通信卫星平台，即东方红四号卫星平台，在整星功率、承载能力和服务寿命上大幅提升，并且实现了以尼日利亚一号卫星为代表的多颗通信卫星整星出口。2008年，我国天链一号数据中继卫星成功发射，为大幅提高应用卫星的数据回传能力和测控覆盖率提供了服务平台。未来，我国将研发东方红五号超大型通信卫星平台，将采用二次展开太阳翼、新型桁架结构、电推进等多种先进技术，该卫星在有效载荷比、有效载荷质量、电源功率等设计指标上与国际顶级通信卫星平台相当。

2．2 导航卫星

导航卫星是我国的重要空间基础设施之一，它将提供全天候、高精度的导航、定位与授时信息服务，可供海、陆、空任意位置的军民用户共享信息资源服务［1］。我国于2012年底已完成北斗二号一期14颗卫星组网任务，形成区域导航定位系统。目前，我国北斗二号二期工程已进入研制阶段，预计2020年左右实现全球导航定位系统建设目标。北斗二期工程将基于功能多样化、结构标准化、应用全球化和体系结构开放化的建设要求，卫星应用的单机、仪器设备及其元器件将全面国产化，实现自主可控的战略目标。

2．3 对地观测卫星

对地观测卫星利用卫星传感器获取地球陆地、海洋和大气的有关信息。由于具有覆盖范围广、不受空域国界限制、不涉及人员安全等特点，广泛应用于地球资源、测绘、农业、林业、海洋、气象、国土利用、城市规划、灾害监测等领域，在军事领域也得到了广泛应用［2］。

我国在对地观测卫星领域已形成地球资源卫星系列、“风云”气象卫星系列、海洋卫星系列、环境与灾害监测卫星星座等多个系列化卫星。

未来，随着材料科学的发展，以及对高分辨率影像数据需求的拓展，对地观测卫星将向小型化、高分辨率、高精度、长期稳定运行、光学与微波多种观测手段兼备、全天候观测能力和多星组网观测方向发展［3］。

2．4 载人航天器

我国载人航天工程自1992年启动以来，已成功完成了神舟飞船5次无人飞行和5次载人飞行，突破和掌握了载人天地往返、航天员出舱活动和空间交会对接、航天员在舱内工作与生活等重大技术，为建造空间站奠定了坚实的基础。以神舟飞船、“天宫”等为代表的载人航天器实现了在低地球轨道、高密度原子氧特定空间环境下的在轨服役能力，构建了以载人航天为应用背景的密封降噪、环控生保、有害气体控制等专业技术基础。未来，我国载人三期工程将建造长期有人在轨值守的空间站，开展大规模的空间应用技术及空间科学试验。在轨制造、在轨维修、长寿命服役、抗菌防霉等关键技术将在建造空间站工程中得到应用。

2．5 深空探测器

人类对月球以远天体开展的空间探测活动称为深空探测［4］。当前，我国开展的月球探测是探索宇宙、进行深空探测的重要基础。我国的月球探测分为：绕、落、回三个发展阶段，逐步实现对月球形貌、矿产资源分布、地质构造和物理场的整体性、综合性探测；并掌握月面软着陆、月球巡视勘察及月地再入返回等技术；同时，为月球基地的选择提供基础数据，为载人登月和月球基地建设积累经验。未来，我国深空探测将开展太阳系行星、小行星和太阳的探测活动。空间探测任务将在深空自主导航技术，进入、着陆与上升技术，行星保护技术，先进推进技术，深空探测通信技术等方面提出了更为苛刻的技术挑战［4－5］。

3 未来我国空间重大工程发展分析

预计2030年，我国空间基础设施整体能力将进入国际前列：卫星通信系统向更高频段、宽带化、业务多样化、全球覆盖化发展，融合多种业务，加强与地面系统结合，支持宽带组网及宽带移动通信；建立性能优良、功能完善、满足军民需求的全球卫星导航系统；建成多种遥感手段、多种分辨率、从多角度观测地球要素的地球综合观测系统。

此外，深空探测将开展以月球资源利用为宗旨的探测技术研究和基础体系建设；以火星为重点，2021年完成火星环绕、着陆与巡视任务，2030年前完成火星取样返回任务。未来，深空探测将逐步围绕太阳系的起源与演化、小行星和太阳活动对地球影响、地外生命信息探寻等空间科学重大问题，开展太阳系内飞行探测。载人航天将在2020年后建成载人飞船、货运飞船、空间站协调配套的体系，全面开展长期有人在轨照料的空间活动。总之，我国在现有航天器制造和专业技术基础上，空间基础设施建设将有新的发展。

空间太阳能电站是在空间轨道上，利用太阳能转化为电能或激光，通过一定方式传输到地面、再转化为电力供地面使用的天地一体化系统［6］。预计2030年前后，我国将开展兆瓦（MW）级空间太阳能电站系统建设的关键技术验证工作。新型运载技术、新型结构材料、高效能量转化技术、热管理技术、超大结构及控制技术、在轨组装技术的发展和优化，将是保障我国空间太阳能电站建设的基础。

4 航天器发展对材料的需求及展望

随着我国空间工程和科学任务的多样化与复杂化发展，航天器以其种类繁多，功能复杂，联合组网，系列化的特点成为未来我国航天器发展的常态。其中，由星间配合完成任务，系列化航天器多模式应用，深空或复杂轨道服役等新任务特点，将促使航天器产品在载荷单机和平台系统上提出高性能、高稳定、长寿命、高可靠的指标要求。材料作为宇航产品的基础元素，在扮演结构支撑、传输载体、能量通道、阻隔屏蔽等多样角色的过程中，在发挥着其固有属性作用的同时，也通过其性能先进性和多样性的发展，来满足未来航天器技术发展的需求［7］。

4．1 航天器关键承力结构材料发展的需求

航天器承力结构的主要功能是承受载荷，提供内部和外部仪器设备布局，连接仪器设备和定位，与运载器对接和分离，同时提供密封、绝缘、防尘、隔热等特殊的功能。随着航天器整体减重需求的发展，未来新型结构设计将向桁架式结构、半刚性结构、柔性展开结构、充气式结构等轻量化结构设计方向发展。桁架、板式结构以金属材料、金属或非金属基复合材料为主。新型高比强铝锂、铝镁合金、铝基碳化硅复合材料、高性能钛合金、镁基高性能合金以及碳纤维、碳纳米管等复合材料的选用，是结构减重的主要解决途径。在低密度合金选用过程中，结构材料应首先面向高比刚度和高比强度进行结构设计，一方面要优化结构的固有频率，从而有效规避发射阶段的振动响应，另一方面要提高结构的动强度使其具有更高的承载能力；其次，重点考虑结构材料的可连接性能，例如可焊性；再次，须解决轻金属结构材料的耐蚀问题，如轻质镁合金、镁锂合金须通过表面技术改善其本征耐蚀性［8］。

航天器对轻型结构设计提出了新的需求，例如新型再入式充气结构、出舱的气闸舱、大型天线等，需要新型的柔性结构材料。柔性膨胀充气展开结构以及柔性帆体结构，相对于刚性结构，具有结构简单、质量轻、发射体积小、结构效率高等突出优点，可作为新一代舱体的优选方案［9］。考虑到柔性膨胀充气展开后将承受一定的内压，同时还须考虑所经历的空间环境，因此有必要开展适应空间环境的膨胀充气展开的结构材料体系研究。膨胀充气结构一般由多层材料复合构成，基本分为抗辐照、空间碎片及微流星体防护层、气密层、增强层等。抗辐照层主要由玄武岩纤维布与聚酰亚胺泡沫构成，用于抵抗辐照、原子氧剥蚀和超高速空间碎片及微流星体撞击；气密层主要由聚氨酯薄膜材料构成，透气率应尽量小；增强层主要由Kevlar纤维、聚酰亚胺纤维等构成。

未来空间太阳能电站将基于柔性反射阵实现在有效的质量载荷和包络下获得更大的光照面积，实现更多的能源转化。长寿命高反射率（反射率≥92%）薄膜（面密度≤0．01kg/m2）材料是太空发电站聚光系统的基础材料，对空间太阳能的高效收集具有重要作用。聚光薄膜材料的选择，要综合考虑空间辐射造成的有机材料性能的退化、周期性高低温环境造成的材料尺寸不稳定等影响因素。不仅要求膜材具有良好的韧性、柔软性及一定的机械强度，还要求膜材具有良好的温度稳定性和化学稳定性。

4．2 航天器热控技术对材料的需求

我国航天器的发展对空间热控技术在绝热、导热和智能热控等方向提出了更为苛刻的技术要求。星表热控材料/涂层，通过有效控制与空间环境的辐射换热，达到保持星体温度的作用。此类材料在舱外带电粒子、紫外（UV）辐射、原子氧、高真空、污染物以及空间碎片的环境下，须要具备抗空间环境的能力，以维持可靠的红外半球发射率和太阳吸收比等关键性能参数［10］。另外，为满足航天器轻量化要求，目前广泛应用的多层组件（面密度约0．4kg/m2）、OSR（面密度约1．5kg/m2）等材料须要开展轻量化替代工作。未来，随着空间任务的复杂化，空间可调相变智能热控材料将是航天器更为灵活、节能的新型被动热控技术的新突破［11］。

高热流密度是未来航天器热控技术的突破点。例如，国内下一代星载相控阵雷达天线某单机热流密度在100W/cm2以上。其中，高导热热控材料是高热流密度热控系统中的一项关键技术，它可以有效降低高热流密度传热过程中的各种热阻，使集中的热量迅速扩散至热沉，且自身具有较低的比重，可以提高材料热导率的同时，进一步减轻结构体积和质量。此外，为加强导热性，传热界面会使用强化界面导热填料。目前国内航天器一般使用导热硅脂，此时设备与扩热板、冷板等接触界面的工程换热系数一般为1000W/（m·K）左右，而国外的部分导热填料，界面的工程换热系数已达到5000W/（m·K）。高导热结构材料及相应导热界面填充材料是解决未来航天产品热控技术的基础材料。

随着航天技术的进一步发展，不论是建立空间站、中继站，还是开展载人深空探测，都对低温推进技术提出了需求。航天器在轨服役过程中，须解决低温推进剂在空间高温环境和微重力环境的蒸发问题，实现低温推进剂在轨可靠性贮存是保障深空探测、宇航员安全和探月再入返回等空间任务的前提。低温推进剂贮箱用高效绝热材料是控制推进剂蒸发量的关键。以气凝胶、聚酰亚胺泡沫、薄膜为基础的多层隔温材料，可变密度多层材料，以及蒸汽冷却屏等关键材料是低温推进技术在轨应用的基础［12］。

4．3 天线、光学相机等载荷分系统对高精度材料的需求

随着航天器任务的日益增多，在遥感、通信、导航、深空探测领域中，天线、光学相机等载荷产品在大尺寸、大口径、轻质量、高灵活度、高精度等方面要求越来越高，对材料的热、力稳定性以及耐空间环境性能提出了更高的要求［1314］。然而，受太阳辐射产生的温度交变环境及星上大功耗设备散热的影响，对于结构形面及位置精度要求严格的设备，比如大型天线及各类遥感相机等，易产生较大结构热变形，从而带来载荷参数的超差或偏离，影响载荷稳定性。在天线反射面及其支承结构、遥感载荷及其支承结构研制领域，均须要解决结构热变形抑制问题［15］。航天器结构热变形抑制技术对低膨胀结构材料、低应力蠕变材料和高导热材料提出了迫切需求。

此外，柔性或可展开式结构是空间大型载荷结构的发展趋势。诸如多频共用天线、平板抛物面天线、大型展开天线、柔性天线、充气天线等新技术在卫星中应用，轻量化、柔性化的纤维材料、柔性薄膜材料、形状记忆材料发展将成为新的需求。例如，欧洲航天局/欧洲空间研究和技术中心（ESA/ESTEC）为欧洲移动通信卫星研制的一种反射器为直径12m的帆式膜面展开天线，它采用了预浸处理的方法将天线薄膜材料预浸一层聚烯类材料，使其在地面时天线是柔软的，入轨后天线充气，在空间环境下薄膜自行硬化成刚性体，从而大大提高了天线反射面刚度。大型、柔性天线为满足Ka频段和W频段对高精度的要求，应用于天线形面保持的网面材料，提出了在±150℃温度范围内，在一定的力学加载环境下，具有低膨胀系数、抗蠕变性能以及良好的尺寸保持特性。与此相应的热变形控制技术、天线高精度方向控制技术、新型网面材料研究成为新的课题。

空间光学载荷将向大口径、轻量化、复合化方向发展，需要光学材料、结构材料具备高比刚度、高导热率、低膨胀系数以及良好的尺寸稳定性。为有效解决整体式大口径光学零件的精度和重量问题，须要解决大尺寸碳化硅反射镜、大尺寸铍镜等关键材料的成型。而为了实现大口径光学零件的高精度稳定支撑，迫切须要解决高性能碳/碳化硅复合材料、高导热高模量碳纤维、铝基陶瓷增强复合材料及Ti－Al金属间化合物等材料的制备和应用技术。此外，新型衍射成像光学系统也提出了超材料、衍射薄膜等先进材料的需求。

4．4 推进分系统对耐高温材料的需求

我国航天器推进系统为提高推力效率和比冲能力，对推力室、喷注器、喷管、喉部等关键部组件材料的耐高温性能提出了新需求。其中，为满足我国推力器在液体和电推进领域的发展需求，耐高温材料及其成型工艺的发展是推动我国航天推力器发展的重要基础。耐1800℃高温下抗氧化性能优异的合金材料，在1400～1500℃范围内具有良好的抗蠕变性能的陶瓷材料，以及能够满足同种或异种高温合金的高温Pt基和Au基焊接材料成为宇航材料发展的新需求。

4．5 宇航元器件国产化对新型电子材料发展的需求

宇航元器件国产化所涉及的电子材料将从结构电子材料和功能电子材料两个方向提出新的发展要求。结构电子材料，即能承受一定的压力和重力，并能保持尺寸和力学性能稳定的一类材料，用来制作元器件的外壳、基片、框架、散热片，以及用于加固和封装等。此类材料需要在具有一定的力学强度基础上兼顾高热导率、小尺寸、高精度、优异绝缘性能、低膨胀率、加工温度低、工艺性好等综合性能。

作为功能型电子材料，例如光电转换材料，对外界电、磁、光、热、压力、气氛等选择性做出反应的敏感材料，为提升材料环境敏感性及适应性，要求其工作性能稳定，环境耐受性优良等。

4．6 未来空间技术发展对材料技术发展的思考

我国未来空间太阳能电站、深空探测技术的发展，以纳米技术、量子技术、高温超导技术、核能技术、智能结构技术、薄膜高效太阳能技术为主要标志的新技术发展，将使空间技术和应用技术得到革命性的提升。新材料技术将是保证我国未来空间科学技术发展的坚实基础。新材料技术在空间功能纳米传输材料、高效热导材料、光电转换材料、超导材料、空间储能材料、智能复合材料、可自修复材料、可调相变材料、在轨3D打印等领域得到新的突破，能够满足空间长期在轨高低温循环、空间射线辐射环境、空间高真空环境等特殊工况下，实现材料功能特性和在轨稳定应用。

5 结束语

随着我国空间任务的发展，种类繁多，功能复杂，联合组网等成为未来我国航天器发展的新态势。其中，星间配合完成任务、系列化航天器多模式应用、深空或复杂轨道服役等新任务特点将促使航天器产品在载荷和平台系统上提出高性能、高稳定、长寿命、高可靠、高功能密度的指标要求。材料作为所有宇航产品的基础元素，发挥着结构支撑、传输载体、能量通道、阻隔屏蔽等多样工程特性的作用。积极研究并开发能够满足空间工作环境、在轨稳定的高性能材料，将是促进我国航天器发展的坚实后盾。

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（编辑：李多）

Review on Requirement of Materials Technology for Development of Chinese Spacecraft

LI Ming
（China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

This paper analyzes the features and future developments of spacecraft projects of China，especially considering the long on－orbit life－time requirements of deep space exploration，human spaceflight，development of platform and payload capability，space solar power station，etc．The development demands and prospect are advanced for new materials such as the structure material，thermal control material，functional material，electronic material used on spacecraft and so on．

spacecraft；material；requirement

V45

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．001

2016－02－29；

2016－03－10

李明，男，博士，研究员，博士生导师，国际宇航科学院院士、俄罗斯宇航科学院院士，现任中国空间技术研究院副院长，主要从事空间技术研发、发展战略研究等方面工作。Email：htq501@139．com。