PMT等公司合作开发低成本CFRP材料

先进的复合材料和复合材料结构高速生产的进步正在重塑卫星设计和制造的格局。长期以来，传统的卫星开发一直依赖于昂贵的材料和劳动密集型制造工艺，例如手工叠层，这仅适用于价值数十亿美元的航天器。但商业卫星市场的快速扩张——特别是在大型小型卫星星座中——需要范式转变：更快的生产、更低的成本和适合大批量制造的高性能材料。

为此，三家资深复合材料供应商合作开发了一种成本更低、劳动力更低的方法，用于轻质高模量 （HM） 碳纤维增强聚合物 （CFRP） 取芯板，用于卫星光学台、太阳能电池阵列基板、反射器和主要结构的模块化积木等应用。使用 A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提）QISO 编织材料 PATZ MATERIALS AND TECHNOLOGIES（PMT，美国加利福尼亚州贝尼西亚）生产的 Apex CFRP 蜂窝芯的成本是 HM 蜂窝芯的十分之一，同时保持了高精度光学器件和高性能结构所需的轻质和超低热膨胀系数 （CTE）。

PMT 还使用 QISO 生产坚固的单层面板。ROCK WEST COMPOSITES（RWC，美国加利福尼亚州圣地亚哥）正在将这些组件组合在一起，用于其 Strato 系列夹芯板、板和管以及太空太阳能电池阵列基板。后者以及射频 （RF） 通信反射器已经过 RWC 的测试，展示了下一代卫星的关键可制造性和性能优势，包括显着缩短设计到生产周期和材料/结构认证的能力。

航天传统供应商合作采用新方法

PMT 在为航空航天、国防、工业和航天市场开创高性能复合材料方面有着悠久的历史。该公司以其在树脂系统、预浸料和芯材方面的深厚专业知识而闻名，这些材料可满足苛刻的热和机械要求。PMT 总裁 Nick Patz 表示，该公司认识到需要一种新方法——一种以以前成本的一小部分提供高性能材料的方法。

“在过去的 10 年里，我们注意到市场发生了变化，大型卫星正在被星座取代，”他说，“我们开发的许多材料都是为了取代传统上用于大型卫星的材料。

尽管需要高速生产和更低的成本，但性能仍然是一个关键驱动因素。太空应用需要具有低 CTE 的轻质 HM 材料。为了寻找满足必要性能标准并实现可制造性的解决方案，以支持对中小型卫星的蓬勃发展的需求，PMT 开始与 RWC 和 A&P Technology 合作。

RWC 以其敏捷性和工程深度而闻名，弥合了研发和可扩展生产之间的差距。该公司专门从事太空、国防和商业应用复合材料结构的设计和制造。RWC 提供一系列航天级产品，旨在以更短的交货时间提供高质量的组件。其 Strato 系列产品满足空间的关键要求，包括低释气、低零 CTE、HM 材料和宽工作温度范围。

与此同时，航空航天领域的长期合作伙伴 A&P Technology 正在为此次合作提供先进的编织面料，包括其 0°、+/-60° QISO 材料。QISO 有助于多向强度、悬垂性和提高制造效率。

通过利用扩散丝束技术和先进的制造技术，合作伙伴正在创造专为中小型卫星设计的轻质、高性能碳纤维芯和预浸料系统。“当你制造成百上千颗卫星时，你希望实现与传统大型卫星结构相同的零 CTE、低释气、高刚度和低密度，但你需要以更低的价格点来实现它，”Patz 解释道。“通过将我们的核心技术与一些丝束铺展和 A&P 的编织技术相结合，我们将这些相同的特性降低到一个经济的领域，无论是在材料成本还是总制造成本方面。”

单层蒙皮，CFRP 芯材

PMT 在过去几年中一直与 A&P Technology 合作，开发专为太空应用设计的用于表皮和芯材的 HM 预浸料。A&P 的 +/- 0°、60° QISO 织物的面内各向同性可实现满足性能要求的单层叠层，同时减少层数和制造复杂性。

在大多数传统空间应用中，包芯夹芯板的表皮材料使用 HM 碳纤维增强氰酸酯预浸料。通常，大型卫星客户将八层准各向同性蒙皮与蜂窝芯相结合，以制造结构夹芯板。PMT 的方法仅使用 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的一层HexTow 基于 HM63 的 QISO 用于这些蒙皮，以代替八层 HM 单向 （UD） 胶带。因此，撒布丝束 QISO 将每层皮的纤维质量从 8 层 100 克/平方米 （gsm） 或 800 gsm 减少到 310 gsm。

PMT 使用相同的方法来制造其 Apex 通风 CFRP 芯材。卫星结构传统上使用通风蜂窝芯，以防止发射过程中快速加压对结构造成损坏。对于 Apex 蜂窝芯，PMT 控制撒布丝束材料以提供开放结构，使细胞壁能够通风，而无需像铝或 Nomex 蜂窝芯那样手动穿孔。扩散丝束 QISO 还将所需材料量减少了一半，但仍符合 PMT 的强度和刚度目标。Patz 指出，由于材料使用量减少，叠层更简单，Apex 型芯的成本是传统 HM 型芯的十分之一，并且提供了一种吸湿率低且剪切性能更高的结构。

节省的材料量转化为成本节约和密度降低。“它实际上是一种相当昂贵的材料，这将使其无法应用于这些商业市场，”Patz 解释道，“但我们使用的材料要少得多，这降低了每平方英尺的加固成本，使我们能够制造出一种廉价、轻质的蜂窝 CFRP 芯材，如果没有扩散丝束技术，这是不可能实现的。由此产生的芯材还提供零 CTE，这对于高分辨率成像系统中的光学精度至关重要。

可制造、模块化结构、成本更低

这种方法产生了可访问的模块化空间结构，其潜在应用包括光学台架、太阳能电池阵列基板、反射器、可展开吊杆和航天器积木。合作伙伴一致认为，这些材料的外形尺寸提供了前所未有的热稳定性，这对于高分辨率成像系统也至关重要。

“光学和成像已经达到了镜头位移的埃水平影响整体分辨率的地步，”Patz解释道。“热膨胀最终推动了许多设计。这就是为什么许多大型卫星使用极其昂贵的材料来拨入 CTE。这是一种实现类似属性的解决方案，但价格更具成本效益。

在实现性能目标后，这种材料方法有助于克服的另一个障碍是成本。更少的层数意味着所需的材料更少、工时更少和更简化的制造流程，所有这些都有助于降低成本。此外，HM63 是一种国产光纤，还有助于避免因关税而产生额外成本，避免出口管制和最终用户批准延迟，并确保供应可用性。

“可制造性最终会成为一个非常大的成本驱动因素，因为您可以使用标准压紧固化快速制造这些产品，”Patz 说。“只需将其擀开，放入压力机中，保持施加压力，您就得到了 HM 的零 CTE 面板。”

这种可制造性的提高为每年生产数百颗卫星的公司提供了显着的优势。“我们与客户合作的有趣领域之一是库存管理，”Patz 说。“他们现在甚至可以在设计之前制作一堆这样的面板，然后只需将面板从库存中取出、修剪、加工和组装即可。现在，从设计到制造的轮流和燃烧时间是数周而不是数年。

从现成的飞机上走进太空

RWC 希望在两个主要产品线中利用这种材料：太阳能电池阵列基板和大容量反射器。RWC 空间结构部门总监 Jeremy Senne 指出，该公司的目标是每年使用复合材料生产 100 多个反射器——这是对当前行业基准的重大飞跃。

太阳能电池阵列电池板通常由超薄的 HM 三至六层蒙皮（~0.010-0.020 英寸）构成，具有低密度芯，以最大限度地减轻重量并最大化航天器的发电表面积。对于某些设计，这些蒙皮是在面板固结之前预固化的不平衡叠层，这意味着在自由状态下，它们会呈现出显着的曲率，直到它们通过核心的对称性实现平衡。HM63 QISO 织物使这些蒙皮成为单层 HM 和准各向同性，从而将制造接触劳动力总量减少 10-20%，缩短交货时间并消除与薄、不平衡的预固化蒙皮相关的挑战。

反射器通常也由薄的HM织物蒙皮和低密度芯构成，以最大限度地减少重量并最大化与射频通信相关的表面积。蒙皮通常是至少两层织物，以保持准各向同性结构特性并避免与 UD 材料相关的偏振。与太阳能电池阵列电池板类似，HM63 QISO 织物使反射器蒙皮能够保持与传统设计相同的重量和蒙皮厚度，但在单层中是 HM 和准各向同性的，从而减少了制造接触劳动力和交货时间。

测试和试验

通过测试，RWC证明，由HM63 QISO织物制成的面板在强度、刚度、CTE和射频反射率方面的性能与使用传统材料制成的面板几乎相当。

尽管织物结构不同，HM63 QISO织物的拉伸和压缩模量以及抗压强度与传统的准各向同性HM63蒙皮相似。平面强度也相似，尽管预固化的表皮表现出略低的值。总的来说，RWC得出的结论是，虽然可能需要进行更多测试才能获得全面认证，但HM63 QISO织物可以替代此类面板的传统单胶带蒙皮，并符合典型的设计驱动特性。

WC还对裸露的、未涂层的HM63 QISO织物夹芯板进行了射频反射率测试，以确保与其他反射器材料可以实现类似的性能，并且三向编织不会导致任何偏振挑战。初步测试并与横向电 （TE） 和横向磁 （TM） 极的 2-16 GHz 抛光铜基线进行比较（图 2-3，第 35 页），涵盖 S 波段、C 波段、X 波段和 Ku 波段频率。分析 TE 和 TM 结果可以表征材料的光学特性及其在各种应用中的潜力。

测试数据表明，相对于铜，HM63 QISO反射器在该频率范围内表现出-0.2至-0.6分贝的损耗，无论入射角在10°至60°之间，轴向比接近1。根据 RWC 的说法，该数据有力地表明，该材料在该频率范围内对于未涂层状态的反射器性能良好。接下来，RWC将在16-40 GHz下进行测试，以表征其他关键射频频段的性能。

RWC 还进行了一项制造试验，以演示使用 HM63 QISO 织物材料的反射器的单次固化工艺。该织物表明它具有足够的悬垂性，可以成为两层皮肤的单层未拼接层。该材料与 PMT 每立方英尺 1.6 磅的 Apex HM 碳芯共同固化，然后使用传统反射器设计中使用的传统工艺进行加工。没有发现可制造性问题，并且该材料被证明是这些类型结构的良好候选者。此外，对于多层蒙皮设计，反射层切割和铺层时间从 2-3 天缩短到一天。

简化资格认证和大量准备

在空间中使用复合材料并不是什么新鲜事。然而，复合材料技术的最新突破正在改写规则，PMT、RWC 和 A&P 等公司正在帮助引入卫星材料的新标准——该标准符合当今商业太空竞赛的速度、成本和性能要求。从实现可展开结构到提高光学系统的热稳定性，他们的创新正在为下一代航天器奠定基础——通过标准化和库存就绪面板，设计到生产的周期可以从几个月缩短到几周。

降低材料和制造成本还意味着小型卫星项目涉及的风险更低，这有助于简化材料鉴定的途径。曾经需要 8-10 年才能获得传统卫星平台的资格，现在只需 1 年即可实现。这种简化的资格认证流程对于商业卫星公司至关重要，因为商业卫星公司每年必须使数百颗卫星上线。随着商业航天工业的不断发展，这些创新的复合材料代表了一次重大飞跃，有望带来更可访问、更高效和更复杂的卫星技术，使最终前沿比以往任何时候都更容易获得。