比鋼鐵還結(jié)實，比鋁合金還輕便，碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能，在航空航天領(lǐng)域廣泛使用，大放異彩。前面我們介紹了碳纖維復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用，這次我們再介紹一下碳纖維在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

大家都知道，碳纖維生產(chǎn)技術(shù)是美國和日本重點防范的一種先進技術(shù)，美日等國不僅限制碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的出口，更是限制先進性能的碳纖維材料出口中國。面對層層封鎖，中國能否破局呢？作為中國獨立自主發(fā)展的高科技典型，中國的航天產(chǎn)業(yè)什么時候開始使用碳纖維復(fù)合材料的呢？

【資料圖】

中國航天使用碳纖維復(fù)合材料并不晚，最早是1984年，首先在國產(chǎn)衛(wèi)星上使用了碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，從此開創(chuàng)了中國航天使用碳纖維復(fù)合材料的時代，后面應(yīng)用程度越來越高，技術(shù)越來越先進。那位朋友可能會說了，不是說美國和日本禁止向中國銷售碳纖維復(fù)合材料嗎？中國怎么在1984年就開始使用碳纖維復(fù)合材料了呢？

其實，美日限制銷售的是最先進的碳纖維復(fù)合材料，而且嚴格限制銷售是近幾年的事情。早先中國衛(wèi)星上使用的并不是最先進的碳纖維復(fù)合材料，一些低端的碳纖維復(fù)合材料還是可以購買到的。低端碳纖維雖然不能讓衛(wèi)星獲得最優(yōu)的性能，不適合制造太重要的部件，但也比使用傳統(tǒng)金屬合金更節(jié)省重量。碳纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星上使用，為中國更大范圍使用碳纖維復(fù)合材料奠定了良好的基礎(chǔ)。

隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的提高，價格越來越低，碳纖維給衛(wèi)星帶來了巨大的效益。要知道，碳纖維本身的密度不僅是鋼鐵的五分之一，甚至也只有鋁合金的一半多一點，在衛(wèi)星上大量使用碳纖維復(fù)合材料，可以大幅度降低衛(wèi)星自身的重量，讓衛(wèi)星可以攜帶更多的燃料，大大延長衛(wèi)星的使用壽命，或者攜帶更多的儀器設(shè)備，讓衛(wèi)星可以開展更多的工作。

早前的衛(wèi)星自身干重占比達到16%以上，隨著大量碳纖維復(fù)合材料的使用，衛(wèi)星干重占比只有6%左右，大大降低了衛(wèi)星的干重，把節(jié)省出來的重量來做更有意義的事情。至于成本問題，完全可以通過降低重量來節(jié)約成本。要知道往太空發(fā)射物體，一千克的成本能達到幾萬塊錢，就拿鋁合金和碳纖維來比，使用碳纖維能節(jié)約40%的重量，十公斤就能節(jié)約出4公斤的重量來，四公斤節(jié)約出來的發(fā)射費用，遠遠高于十公斤碳纖維復(fù)合材料本身的成本。按現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料的價格，一公斤航天級別的高性能碳纖維也不過幾百美元，用它來降低重量非常劃算。二十多年前的價格肯定要高很多，但相對于節(jié)約出來的發(fā)射費用，也是很劃算的。

所以，中國在衛(wèi)星上使用碳纖維復(fù)合材料比例還是很高的，并不見得比發(fā)達國家少多少。甚至探月衛(wèi)星嫦娥一號的燃料貯箱都是用碳纖維復(fù)合材料來制造，后面的嫦娥工程就更不必說了。

雖然碳纖維用到衛(wèi)星上是非常普遍的事情，但是用到火箭上卻并不見得那么輕松?？紤]到碳纖維復(fù)合材料高昂的價格，火箭上大規(guī)模使用碳纖維復(fù)合材料，直到今天也是非常奢侈的事情。大家已經(jīng)直到美國SpaceX公司的星艦，早先選擇的是碳纖維復(fù)合材料設(shè)計方案，現(xiàn)在已經(jīng)替換成了不銹鋼外殼。中國的長征11號、印度的固體火箭，直到今天都在用不銹鋼外殼。前幾年只有美國、日本、歐空局的固體火箭助推器使用碳纖維復(fù)合材料外殼，中國剛面世的力箭一號才開創(chuàng)了中國火箭大規(guī)模使用碳纖維復(fù)合材料的年代。液體火箭燃料貯箱，更是幾乎沒有使用碳纖維復(fù)合材料的。

其最主要的原因，還是因為碳纖維復(fù)合材料的成本太高了，大范圍使用這種材料會明顯增加火箭的發(fā)射成本，得不償失。當然并不是說火箭使用碳纖維復(fù)合材料一定不劃算，也不是說以后永遠不能大范圍使用。只要使用的地方得當，火箭上用碳纖維復(fù)合材料還是很劃算的。

一般的火箭都是多級火箭，越上面的部位，越應(yīng)該輕便，因為越上面的火箭自身重量帶來的發(fā)射成本越高。對于最上面的火箭來說，自身減少多少重量，就可以直接增加多少重量的載荷。就像前面說的，衛(wèi)星每公斤的發(fā)射成本是幾萬塊錢，最上面的火箭自身重量減少一公斤，就相當于節(jié)省了幾萬元的發(fā)射成本，這還是很劃算的，別說幾萬塊錢，就算是每公斤節(jié)約幾千塊錢發(fā)射成本，也是很劃算的。

這一點從印度的最新固體火箭就能看出來，雖然印度固體火箭一直在用鋼鐵的外殼，給人的感覺很落后，完全沒有使用碳纖維復(fù)合材料的能力。但是印度最新的固體火箭SSLV，雖然主要結(jié)構(gòu)還是鋼鐵外殼，但是第三級固體火箭使用的卻是碳纖維復(fù)合材料。從中可以看出，印度并不是沒有能力使用碳纖維復(fù)合材料，而是從成本上綜合考慮的，第三級火箭使用碳纖維復(fù)合材料代替鋼鐵顯然很劃算。另外，還需要明確一點，雖然中國從美國日本購買先進碳纖維復(fù)合材料很困難，但印度購買并不困難。

比較神奇的是，SSLV的第四級火箭反而沒用碳纖維復(fù)合材料，因為那是液體發(fā)動機，用碳纖維復(fù)合材料制造液體燃料貯箱要比制造固體火箭外殼困難多了。另外，固體火箭外殼，目前只有兩個選項，要么是鋼鐵，要么是碳纖維復(fù)合材料，使用鋁合金是不行的，因為結(jié)構(gòu)強度不行。面對這兩個選項，只要碳纖維復(fù)合材料的成本不斷下降，鋼鐵的成本優(yōu)勢就越來越低。

相信未來中國的固體火箭會全面使用碳纖維復(fù)合材料，力箭一號只是開了個頭。

液體燃料貯箱，可以是鋼鐵、鋁合金或者碳纖維復(fù)合材料，其中碳纖維復(fù)合材料相對于鋁合金來說節(jié)約的重量并不多，對于火箭下部來說，把鋁合金換成碳纖維并不劃算，因為發(fā)射成本下降有限，但材料成本上升太多。所以，全世界的液體火箭極少用碳纖維復(fù)合材料來制造貯箱的。另外碳纖維復(fù)合材料制造燃料貯箱還有很多技術(shù)難題存在，尤其是大體積的燃料貯箱，需要不算驗證改進才能大規(guī)模投入使用。當然，隨著碳纖維復(fù)合材料成本的下降和貯箱生產(chǎn)技術(shù)的不斷改良，未來碳纖維復(fù)合材料液體火箭也會大行其道。

除了燃料貯箱和固體火箭外殼，其實火箭上還有很多地方在用碳纖維復(fù)合材料，而且一些部位很早以前就在用了。比如用來連接衛(wèi)星的支架，這是在火箭的最上部，按照剛剛介紹的規(guī)律，越靠近上部的地方使用碳纖維復(fù)合材料越劃算。中國早期的火箭長征二號、長征三號都早早就用上碳纖維復(fù)合材料了。另外，中國最新的火箭型號，往往都用上了碳纖維復(fù)合材料的整流罩，這都是碳纖維復(fù)合材料在中國航天大量應(yīng)用的案例。

中國最近兩年已經(jīng)徹底攻克高性能航天用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝了，而且生產(chǎn)成本越來越低，中國航天使用的碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在進行國產(chǎn)化替代了，不排除未來實現(xiàn)全國產(chǎn)化。面對封鎖，中國航天也好、中國材料也罷，都將發(fā)揮自己的積極向上的精神，擺脫依賴獨立自主。

下邊再簡單補充一下，碳纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星上應(yīng)用，一些難以替代的優(yōu)勢。前面我們主要說衛(wèi)星上如果用碳纖維復(fù)合材料，可以給衛(wèi)星減重，從發(fā)射成本上是劃算的。但對于有些衛(wèi)星或航天器部件來說，碳纖維復(fù)合材料幾乎是不可替代的。

比如對于空間照相機來說，需要一個非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，不能隨意變形，否則成像就會大打折扣。面對非常嚴酷復(fù)雜的空間環(huán)境，經(jīng)常驟冷驟熱，對于絕大多數(shù)材料來說會有明顯的熱脹冷縮，這些材料如果用來做相機支撐結(jié)構(gòu)的話，就會帶來相機成像不穩(wěn)定之類的問題。碳纖維復(fù)合材料膨脹系數(shù)非常小，甚至可以實現(xiàn)零膨脹，這樣的材料用來做相機內(nèi)部各光學(xué)器件之間的支撐材料非常好，能最大程度減少環(huán)境溫度變化對成像效果的影響，這些支撐件也叫精密結(jié)構(gòu)支撐件。將來中國的巡天空間望遠鏡，肯定會使用大量這樣的精密結(jié)構(gòu)支撐件，從而保障觀測效果。當然現(xiàn)在在天上飛的大量遙感衛(wèi)星肯定也在大量使用這樣的結(jié)構(gòu)件。

除此以外，最新的太陽能電池板，往往都是柔軟可折疊的，就像中國空間站的太陽能電池板那樣。這樣的電池板往往會用到碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量輕、強度高而且還很柔軟，特別方便。

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