Qual é o status atual e as tendências de desenvolvimento de materiais compósitos de fibra em carenagens de veículos lançadores?

A carenagem do satélite é um dos componentes mais importantes de um veículo lançador, possuindo um bom formato aerodinâmico, massa estrutural leve e capacidade de separação confiável. Sua principal função é manter a forma aerodinâmica do veículo de lançamento durante o pré{1}}lançamento e o voo, protegendo a carga útil interna da influência do ambiente natural externo e da erosão aerodinâmica, e separando-se do foguete de maneira confiável após sair da atmosfera. A Figura 1 mostra a carenagem do veículo lançador no estado de separação. A carenagem está localizada na frente do veículo lançador, protegendo o satélite e outros instrumentos de precisão dentro do veículo lançador da corrosão térmica durante a saída atmosférica. Assim que o veículo lançador sai da atmosfera, a carenagem não serve mais ao seu propósito e, neste ponto, para reduzir o peso do foguete, a carenagem se separa do veículo lançador. Para garantir a transmissão de dados entre a carga útil dentro da carenagem e o mundo exterior antes da separação, a carenagem geralmente possui capacidade de transmissão de ondas eletromagnéticas. Atualmente, as carenagens de satélite, tanto a nível nacional como internacional, enquadram-se principalmente em duas categorias: estruturas metálicas rebitadas e estruturas de materiais compósitos. Estruturas rebitadas de metal geralmente usam ligas de alumínio, enquanto estruturas de materiais compósitos usam materiais compósitos de fibra à base de resina-com capacidade de transmissão-de ondas. Carenagens projetadas e fabricadas com materiais compostos de fibra à base de resina-podem efetivamente reduzir o peso estrutural em 20%-30%, aumentando a capacidade de carga útil do foguete e reduzindo o consumo de combustível do motor sob a mesma carga útil, reduzindo assim os custos de lançamento de foguetes. Além disso, materiais compósitos de fibra à base de resina oferecem maior flexibilidade de projeto do que materiais metálicos, permitindo projeto e fabricação integrados, reduzindo o número de componentes estruturais e melhorando a confiabilidade estrutural. A excelente resistência à corrosão, resistência ao calor úmido, resistência à radiação e resistência à fadiga dos materiais compósitos de fibra à base de resina prolongam a vida útil da estrutura da carenagem, permitindo assim a recuperação da carenagem.

2.1 Materiais do Painel A estrutura do painel proporciona o formato aerodinâmico da carenagem. O material do painel é um material compósito de fibra à base de resina, composto de um material de matriz e materiais de reforço. Os materiais compostos de fibra-à base de resina são leves, de alta-resistência e resistentes-ao calor, com alta flexibilidade de design e podem alcançar funcionalidade de-transmissão de ondas em uma ampla gama, tornando-os materiais ideais para carenagens. Este capítulo analisa materiais de carenagem à base de fibra e resina-comumente usados, tanto nacional quanto internacionalmente.

2.1.1 Materiais de fibra Os compósitos de fibra à base de resina-possuem vantagens como alta resistência específica e alto módulo específico. Materiais de reforço de alto-desempenho comumente usados ​​em painéis de carenagem tanto nacional quanto internacionalmente incluem fibra de carbono, fibra de vidro e fibra de aramida.

A fibra de carbono possui muitas propriedades excelentes, incluindo alta resistência axial e módulo, baixa densidade, sem fluência, boa resistência à fadiga, baixo coeficiente de expansão térmica e boa condutividade elétrica e desempenho de blindagem eletromagnética. Tem sido amplamente utilizado no campo aeroespacial.fibra de vidroé o material de reforço mais comumente usado para carenagens transparentes-onduladas, possuindo vantagens como alta resistência, excelentes propriedades dielétricas, baixa absorção de umidade e estabilidade dimensional. Quartzofibra de vidropossui as melhores propriedades dielétricas de todas as fibras de vidro, permanecendo essencialmente inalteradas em uma ampla faixa de frequência, permitindo a transmissão de ondas em banda larga nas carenagens. Além disso, a fibra de quartzo apresenta excelente desempenho de transmissão de ondas em altas temperaturas, e as carenagens mais avançadas no exterior utilizam atualmente a fibra de quartzo como material de reforço. A fibra de aramida, uma fibra especial-de alta tecnologia, possui alta resistência e alto módulo, excelente resistência ao calor e retardamento de chama, e é usada em aplicações aeroespaciais, como coletes à prova de balas e capacetes de aramida. No entanto, a natureza higroscópica da fibra de aramida afeta suas propriedades dielétricas, limitando sua aplicação em carenagens transparentes onduladas.

2.1.2 Materiais de resina As carenagens geralmente usam resinas termofixas de alto-desempenho como material de matriz do painel, incluindo resina epóxi (EP), resina bismaleimida (BMI) e resina éster cianato (CE), etc. Possui excelentes propriedades termodinâmicas, forte processabilidade e propriedades elétricas superiores, tornando-o um produto básico em matrizes de resina composta. No entanto, a resina epóxi sofre de baixa resistência ao impacto e de um declínio significativo nas propriedades mecânicas sob condições úmidas e quentes. Nos últimos anos, os investigadores concentraram-se na adição de grupos flexíveis aos sistemas epóxi para melhorar a sua tenacidade e resistência ao calor. A resina de bismaleimida (BMI), como material de poliimida aromática, possui excelente resistência a altas e baixas temperaturas, alta resistência e módulo, baixo coeficiente de expansão térmica, baixa constante dielétrica e perda, baixos voláteis de vácuo e baixos condensáveis ​​voláteis. Ele também compartilha vantagens semelhantes com a resina epóxi, como facilidade de processamento, e é amplamente utilizado na área aeroespacial. No entanto, suas desvantagens incluem alto ponto de fusão, baixa solubilidade e alta fragilidade. A resina éster de cianato (CE) é um novo tipo de resina desenvolvida na década de 1980. Ele apresenta baixa constante dielétrica, resistência a altas temperaturas e ao calor úmido e é usado principalmente em placas de circuito impresso de alto-desempenho e materiais estruturais transparentes de alto-desempenho. Suas desvantagens incluem alta fragilidade e baixa tenacidade após a cura. Para aumentar a resistência do sistema de resina, BMI e CE geralmente usam sistemas de resina mista modificada e temperada como matriz de material compósito. Os sistemas modificados de resina BMI e CE, ao mesmo tempo que garantem excelente resistência ao calor úmido e propriedades dielétricas, podem melhorar a resistência ao impacto da estrutura.

2.2 Materiais Sanduíche A estrutura sanduíche da carenagem desempenha um papel de suporte para o material do painel, e seus parâmetros de desempenho afetam grandemente as propriedades mecânicas da seção de transmissão de ondas-da carenagem satélite. O material sanduíche deve atender aos seguintes requisitos: baixa densidade, alto módulo de compressão, alto módulo de cisalhamento, alta resistência à flexão e excelentes propriedades dielétricas. Os principais materiais sanduíche de carenagem que atendem a esses requisitos são:fibra de vidrofavo de mel, favo de mel de alumínio, favo de mel de papel Nomex e favo de mel de espuma PMI (polimetilmetacrilato).

O favo de mel de fibra de vidro tem um efeito insignificante de redução de peso e propriedades mecânicas ruins. No campo aeroespacial, o favo de mel de papel Nomex e o favo de mel de espuma PMI o substituíram gradualmente; a combinação de favo de mel de alumínio e painéis de fibra de carbono pode causar corrosão eletroquímica, não atendendo aos requisitos de resistência à corrosão de materiais compósitos no ambiente hostil da espaçonave; O favo de mel de papel Nomex é feito de aramida impregnada com resina fenólica, e a combinação de favo de mel Nomex e painéis de fibra de carbono não causa corrosão eletroquímica, tem um módulo de cisalhamento mais alto do que a espuma rígida PMI, tem custo mais baixo, tem boa processabilidade e é amplamente utilizado em fuselagem, conectores e outras peças, tornando-o amplamente utilizado na área aeroespacial; A estrutura sanduíche de espuma PMI é superior a outras estruturas sanduíche em favo de mel em muitas propriedades mecânicas e é uma estrutura rígida de alta-rigidez. Com uma resistência à tração superior a 0,5 MPa, uma densidade abaixo de 100 kg/m³ e uma temperatura de distorção térmica atingindo 240 graus, o PMI apresenta excelente resistência de ligação interfacial com resinas termofixas como EP, BMI e CE. Por ser uma estrutura sanduíche, é menos propensa a se separar da interface do painel. Além disso, as estruturas PMI oferecem excelente desempenho de transmissão de ondas, permitindo a transmissão de ondas em banda larga e ao mesmo tempo atendendo aos requisitos de carga. É amplamente utilizado em carenagens no exterior e, no mercado interno, é utilizado principalmente em componentes estruturais de aeronaves civis. A nova geração de veículos de lançamento-da série Longa Marcha 3A-adotou uma estrutura sanduíche PMI produzida internamente para o cone frontal da carenagem, reduzindo os custos de lançamento de satélite e demonstrando amplas perspectivas de aplicação.

Situação Atual do Desenvolvimento de Materiais de Carenagem Doméstica

Para atender às necessidades futuras de desenvolvimento de carenagens para veículos de lançamento e outras espaçonaves do meu país, diversas universidades e institutos de pesquisa na China se concentraram na modificação de materiais compósitos de fibra para projetar e desenvolver materiais compósitos de fibra de alto-desempenho e baixo-custo. Isto melhorou a capacidade do veículo lançador de acessar o espaço e reduziu os ciclos e custos de lançamento.

Na pesquisa de materiais-à base de resina para carenagens de veículos de lançamento, Yang Shiyong et al. do Instituto de Química da Academia Chinesa de Ciências, desenvolveram uma série de matrizes de resina de poliimida, incluindo a primeira geração resistente a 316 graus, a segunda geração resistente a 371 graus e a terceira geração resistente a 426 graus. Eles também desenvolveram diferentes métodos de moldagem para compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de carbono resistentes a altas-temperaturas, incluindo tecnologia de autoclave a vácuo, tecnologia RTM a vácuo-de alta temperatura e tecnologia de moldagem a quente reativa. He Guowen conduziu estudos de análise microscópica na preparação e resistência de ligação interfacial de compósitos de poliimida, fornecendo uma referência para a aplicação de compósitos de poliimida em carenagens de aeronaves. Rao Xianhua, da Universidade de Jilin, conduziu pesquisas sobre matrizes de resina de poliimida terminadas em fenilacetileno-de alto desempenho e seus compostos de fibra de carbono, ampliando os horizontes para o desenvolvimento de carenagens compostas de fibra de carbono de poliimida resistentes a altas-temperaturas. O Instituto de Pesquisa de Materiais e Processos Aeroespaciais desenvolveu um material composto de-poliimida reforçada com quartzo que pode ser usado por longo-prazo em temperaturas de até 370 graus. Este material também exibe baixa constante dielétrica e perda dielétrica, desempenho estável e excelentes propriedades dielétricas e mecânicas, tornando-o um candidato adequado para um material funcional de suporte de onda-transparente/alta-carga-. Zhang Xing et al. projetou uma carenagem de satélite totalmente ondulada-transparente usando uma estrutura sanduíche de painel de fibra de vidro-aramida em formato de favo de mel. Resultados experimentais verificaram que ele atinge uma capacidade de transmissão de ondas de alta-eficiência com uma taxa média de transmissão de ondas omnidirecional de 90%. Mesmo com uma redução de peso superior a 20%, a capacidade de carga-ainda atende aos requisitos do projeto, alcançando leveza, alta capacidade de carga-e funcionalidade de transmissão de ondas omnidirecional, o que foi verificado em testes de voo. Qu Guangyan, do Harbin FRP Research Institute, projetou uma estrutura de carenagem de material compósito leve, de alta{33}}resistência e espessura-controlável usando um processo de co-cura de material compósito de fibra de carbono de alta-resistência. Isso supera os desafios de projeto de moldes trazidos pela tecnologia de moldagem integrada em grande-escala. A carenagem de material composto de fibra de carbono de alta resistência mantém seu formato aerodinâmico enquanto garante grandes dimensões, protegendo a carga útil interna de influências ambientais externas.

Situação atual do desenvolvimento de materiais de carenagem no exterior

Os Estados Unidos possuem a tecnologia mais avançada no design e fabricação de materiais para carenagens de veículos lançadores. Os materiais de carenagem incluem materiais inorgânicos e orgânicos, e os processos de moldagem incluem ensacamento a vácuo, moldagem e fundição. Os EUA possuem testes abrangentes de desempenho de carenagem e métodos experimentais, bem como tecnologia de túnel de vento para testes-no mundo real. Na década de 1970, os EUA desenvolveram o material compósito Duroid 5870 e concluíram testes de carga térmica da carenagem, propriedades elétricas de alta-temperatura, ablação e resistência à erosão pela chuva. Também desenvolveu equipamentos automatizados de teste de carenagem para testes de desempenho elétrico. Atualmente, no sistema de materiais compósitos baseados em resinas orgânicas resistentes a altas-temperaturas-(HTPMCs), as resinas PI (PMR-15 e PMR-50) desenvolvidas pelos EUA se tornaram materiais fundamentais na indústria aeroespacial, promovendo significativamente a aplicação de materiais compósitos PI em grandes componentes estruturais e reduzindo custos. As excelentes propriedades dielétricas da fibra de quartzo facilitam a transmissão de ondas de banda larga, e a maioria das carenagens de veículos de lançamento estrangeiros agora são feitas de materiais compósitos de fibra de quartzo. Os Estados Unidos desenvolveram uma estrutura de carenagem composta de resina PI reforçada com fibra de quartzo-com uma temperatura operacional superior a 538 graus. A Rússia possui-tecnologia líder mundial na fabricação de materiais compósitos. Ao desenvolver e aplicar materiais avançados resistentes a altas temperaturas, também desenvolveu novos materiais compósitos adequados para carenagens de banda larga e carenagens de modo duplo eletromagnético/infravermelho. Simultaneamente, está fortalecendo a pesquisa em tecnologias de processamento e fabricação de carenagens, com foco no projeto estrutural e de desempenho elétrico de carenagens. A resina fenólica modificada desenvolvida pela Rússia alcançou níveis muito elevados de desempenho de processamento e transmissão de ondas, com temperatura operacional máxima de 600 graus, e foi aplicada com sucesso em carenagens de banda larga.