卫星工程中的材料应用与需求展望

陈夜 彭海阔 张如变 王开浚 任友良(上海卫星工程研究所)

级，是国内空间遥感器反射镜的首选材料。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的碳化硅单体反射镜，直径达到4.05m，加工精度高达15.2nm。而近年来受到关注的铍，密度仅为1.8 g/cm，具备高比热和热导率特性，有利于消除反射镜镜体的温度梯度，已应用于当前最先进的詹姆斯·韦布空间望远镜，铍镜面口径达到6.6m。

3 未来需求与趋势

航天规划需求

面向未来，中国在应用卫星、载人航天、深空探测领域制定了一系列的发展规划，包括高分辨率对地观测系统、高性能导航服务系统、长期载人空间站等，对卫星性能、集成度、寿命均提出了更高的要求。材料作为卫星产品的基础元素，未来存在以下发展需求。

材料的性能是实现卫星各项性能指标的基础，卫星的轻量化、高分辨率强烈地依赖于材料的力学、热学、电学等物理性能的提升。

高集成度是未来卫星发展的重要方向，以适应批量化研制、多星组网发射的新模式。为了使星上设备实现更多功能，卫星材料还应具有感应、驱动等能力，提高卫星设计的集成度。

在以深空探测为代表的重大任务中，星上材料需要应对各种空间环境的挑战，保持性能稳定、功能可靠，保障卫星的长寿命运行。

卫星材料的发展趋势

卫星工程需求牵引着材料技术的发展。面对未来重大航天任务规划，卫星材料不断追求质量、刚度、稳定性、导热性、隔热性等物理性能的提升，开发智能化功能，完善应对空间碎片的自我防护能力，呈现出以下发展趋势。

轻量化是卫星材料永恒的追求。卫星的更新换代往往伴随着结构质量占比的降低，结构轻量化是评价卫星先进性的重要指标。

在航天金属材料中，相较于目前应用最广的铝，镁、锂具有密度低的优势，但存在工艺性、力学性能不稳定的问题，高强度镁基合金、铝锂合金将是金属材料轻量化的重要方向。复合材料中，高模量碳纤维、蜂窝结构已普遍应用于我国卫星，使得结构占卫星质量比重为10%左右，而更高模量碳纤维、格栅增强结构、点阵结构的应用有望将结构质量占比降低至6%～8%，达到国际先进水平。

大尺寸铍镜

在遥感、通信、导航、深空探测领域，光学相机、天线等卫星有效载荷正在向大口径、高分辨率方向发展，光学设备与结构件材料需具备高刚度、低膨胀率特性，以保证在轨的构型与尺寸稳定性。在光学相机上，大尺寸碳化硅反射镜、大尺寸铍镜已成为实现高分辨率的关键技术，具有急迫的工程需求。在大型天线上，高模量纤维、硬质薄膜、形状记忆材料等高比刚度材料将是结构支撑的关键，是我国未来卷曲天线、薄膜天线、充气天线等超大尺寸空间结构的基础。

在以载人航天器为代表的大型复杂卫星领域，星上集成了大量的电子元器件。面对高集成度、高功率元器件的散热需求，高导热热控材料是其中的关键技术。常规碳纤维复合材料的热导率难以满足需求，需要开展高导热金属基复合材料的研究，将热导率提高10～20 倍。

在深空探测领域，火星等行星表面存在气流，温度变化剧烈，使得传统的多层隔热组件效果显著降低。纳米气凝胶隔热材料隔热性能优越，热稳定性、化学稳定性高，在复杂环境下具备理想的隔热效果，是火星等行星表面探测任务的基础。

卫星材料除具有承载、连接等基本结构功能外，还应具备自感知、自驱动、自适应等多种能力。压电材料、形状记忆合金等材料在环境作用下，形状、刚度、阻尼等固有性能可以发生显著变化，通过与传感器、驱动器、控制元件复合组装，实现一定的智能特性。例如，将压电传感器埋设于复合材料，可以实现对结构的完整性监测；形状记忆合金应用于展开机构，可实现大型附件的展开与姿态自适应调节。未来，压电复合材料、高强度、高刚度的记忆合金材料等新技术将是推动卫星功能智能化的重要途径。

面对我国未来高价值卫星的长寿命要求，材料还承担着保护卫星安全、提高卫星可靠性的任务。卫星的安全威胁主要来自空间碎片，碎片相对卫星的飞行速度达到每秒千米级以上，截至2019 年，国际上公开报道的卫星碎片撞击事故已超过16 起。对于毫米级的微小型碎片，首要目标是通过防护材料最大限度地吸收碎片的动能，可考虑的材料包括高强度多层石墨烯、复合金属泡沫、多层填充防护结构等；而对于更大尺寸的碎片，碰撞后的损伤不可避免，更倾向于通过仿真、试验技术评估材料的易损性，提高材料在碰撞后的生存能力，一种思路是将愈合剂植入基体材料，对材料发生的损伤进行修复，实现结构的自愈合。

4 结束语

在中国向航天强国迈进的过程中，将实施一系列航天重大工程，造就一大批功能性强、复杂性高的大国重器，亟需先进材料技术的支撑，主要体现在以下三个方面：①高性能材料，包括轻量化材料、高刚度、高稳定性材料、高导热材料、高效隔热材料等力、热性能突出的材料；②智能化材料，包括压电材料、记忆合金等新材料；③防护性材料，包括高强度防护材料与自愈合复合材料等。