高新材料护航天宫一号“苍穹之吻”
碳纤维复合材料、高性能涂料、黏合剂等产品大量被使用并有望转为民用
□ 本报记者 罗 兵/文
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天对地，雨对风，神八对天宫。从对接机构接触开始，经过捕获、缓冲、拉近、锁紧4个步骤，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器11月3日凌晨实现刚性连接，形成组合体，中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功。
有业内人士认为，天宫一号是我国航天事业发展的里程碑，它不仅开启了中国的空间站时代，更将对整个航天及上游材料产业起到巨大的拉动作用。
复合材料大量使用
据有关专家介绍，天宫一号上用到最多的化工产品为航天涂料、碳纤维复合材料、火箭推进剂、黏合剂等。而碳纤维复合材料在天宫一号上的使用几乎随处可见。
据了解，哈尔滨玻璃钢研究院使用碳纤维复合材料承力锥台结构方案，创造性地用蜂窝夹层结构与复合材料十字梁组合结构作为主承力结构件，该设计方案优于金属面板方案，解决了推进分系统结构空间小、有效载荷难以布局的难题。在产品设计、研制过程中，科研人员破解了大型复合材料结构的有限元设计方法及其在复杂载荷作用下的承载能力、主承力蜂窝夹层结构的设计计算方法等问题，攻克了产品模具设计技术、十字梁整体成型工艺、主承力高精度要求的蜂窝板成型工艺、大型复杂结构的装配工艺等一系列关键技术，满足了天宫一号承力锥台工艺制造需求。
为满足空间光学结构的应用，作为重要承力结构件的相机支架，设计要求五高：尺寸精度及形位精度要求高；线膨胀系数要求高；结构弹性模量要求高，变形要微米数量级；产品基频高，达100Hz以上；重量指标要求高，研制的技术难度较大。因此，从2006年哈尔滨玻璃钢研究院承担天宫一号碳纤维复合材料相机支架组件研制任务开始，该院就利用大型仿真分析软件建立了参数化计算模型，对复合材料构件进行优化设计，成功解决了三大技术难题：不规则、不等厚、不等宽、大截面加筋结构的工艺成型技术，复合材料加筋夹层结构的成型技术以及高精度双层加筋结构的精度控制。
作为提供飞行动力的关键设备，电源系统被誉为航天飞行器的“心脏”。相比以往的卫星，天宫一号要在充斥着较多太空垃圾的空间站低轨环境飞行，对其各部件的抗氧化性能提出了较高要求。天宫一号的研发小组一开始就给东华大学负责电池附着材料的研究团队出了难题：研制一种新的材料板，不但要提高电池的发电效率，还要克服发射及太空飞行中的巨大阻力，此外还要尽可能减轻重量。
为此，东华大学教授陈南梁率领团队开始了5年多的攻关，他们选择的材料是复合玻璃纤维。玻璃有着抗氧化和抗腐蚀能力强的优势，普通玻璃是质地坚硬的易碎品，但把玻璃抽成丝状纤维，不仅强度大为增强，而且非常柔软。选准材料还只是第一步，接下去才是最大的难题：玻璃纤维性脆，要用它做成电池帆板所需要的载体，就好比“用玻璃纤维编制毛衣”。陈南梁团队与南京玻璃纤维研究院联手展开研究，最终研制出高强度、低延伸度、高柔软性的特种玻璃纤维。由这种纤维制成的半钢玻纤网络，可接受电源系统高达100伏高压供电植入；电池帆板可透过网格双面发电，发电率比以前提高了15%。此外，它可以有效防止低轨环境的热疲劳和热损伤，重量比传统的全刚性电池帆板轻了30%～40%。
黏合剂化工涂料大显身手
“天宫一号的成功发射圆了我们几代材料人的梦想。”年近7旬的黑龙江省石油化学研究院工程师付春明激动地说。因为在天宫一号内，许多复合材料结构件就是用付春明和同事研发出的特种胶粘剂连接起来的。
“天宫一号大量使用了黏合剂产品。别以为这是不起眼的辅助材料，但凭借其黏性就能将两种分离的材料牢固地连接在一起。”北京航空航天大学付晓清博士曾经分析指出。
据付春明介绍，应用于天宫一号的胶粘剂一平方厘米薄片就可承受几百公斤的力。由于天宫一号是目标飞行器，工作环境温差大，因此此类胶粘剂就必须具备耐高温、耐低温、高韧性的特点，适用于天宫一号大温差的工作环境。“这种胶粘剂已经在神八等飞船上使用过。”付春明说，“它还可广泛应用于大型风力发电叶片、冰箱、建筑装饰幕墙、地铁、高速火车等民用产品。”
据悉，天津燕海化学公司为天宫一号提供了名为“914”的室温快速环氧黏合剂。据该公司副总经理汪延禄介绍，与普通黏合剂相比，这种黏合剂的最大特点是在室温条件下就可以快速固化，具有耐高温、低温、韧性高的特性，使天宫一号很好地适应温差较大的工作环境。
为确保产品质量可靠，该公司对每批黏合剂都会进行严格试验，被黏试片室温下泡在水中，要保证1个月后黏接强度不下降。从上世纪80年代开始作为我国航天配套产品，这种型号的黏合剂已被嫦娥一号、二号、神六、神七等卫星和飞船广泛使用。
作为中国航天指定油漆涂料配套企业，今年年初，天津灯塔涂料有限公司接到为天宫一号和全新改进的长征二号FT1火箭生产超高性能质量涂料的任务后，随即成立了由总经理王培明为组长的技术专家组，参与到从原料检验、配方审核以及每一道生产工艺和质量的核查中来。王培明介绍说，从选材到加工成树脂，再到最终制成航天涂料产品，需要完成16项大工序，而每一道大工序中还有几十道小工序，加工过程极其繁杂。“每次飞船发射时，都可以看到火箭上写有中国航天4个蓝色的大字，这也是用特殊航天涂料写成的。仅这种涂料，其配方原料就多达10余种。”王培明说。
美国某次航天飞机发射的失败，就源于密封垫圈的破损，因此为天宫一号提供高性能密封圈的中国航天科技集团四院42所，为了保证密封件在高真空、-70℃～200℃环境中长期使用，又要在强紫外辐射、带电粒子辐照和原子氧等特殊的使用环境下不产生降解、老化和龟裂，生产人员每天都要在不能安装空调的车间内，忍受硫化机160℃的高温，将重达二三百公斤重的模具来回升温、装料、卸料、起模、出样，不断反复地进行十几次。
“天宫一号上使用的全套橡胶密封件，使用寿命达到30年，可确保天宫一号与飞船对接时的密封效果和其内部的空气环境及航天员的生命安全。”中国航天科技集团八院副主任设计师孙小珠介绍说。
“也许现在很多人都还觉得这些为天宫一号助力的高端化工产品离我们普通人的生活遥不可及，但也许在不久的将来，它们就会走进寻常百姓家。这是现代化工、材料科技的方向之一。”业内人士表示。《中国质量报》
