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新材料+新工艺 纺织不只属于服装也来助力航天领域

2024-02-26 14:08:55 来源:央视新闻客户端

  2月22日,长征八号遥三运载火箭运抵中国文昌航天发射场,将用于执行探月工程四期鹊桥二号中继星发射任务。目前,火箭在发射场陆续开展各项总装测试工作。此前,在今年1月和2月初,嫦娥六号任务探测器、鹊桥二号卫星已经先期抵达发射场,也都正在进行发射前各项测试准备工作。

  按计划,今年上半年,我国将先后发射鹊桥二号和嫦娥六号。嫦娥六号,就是要发射一个探测器到月球背面去采集月壤,然后带回地球来研究。那鹊桥二号起什么作用呢?因为月球背面和地球之间不能直接通信,所以要先发射鹊桥二号这颗中继卫星,它可以为将来去月球背面采样的嫦娥六号探测器和地面站之间的信号联络搭起“鹊桥”。

  鹊桥“金色大伞”柔软的星载天线金属网

  在鹊桥二号之前,其实五年多前,已经有一颗鹊桥中继卫星为嫦娥四号的月球背面着陆、探测任务提供了通信中继服务。鹊桥显著的特征就是拥有这样一把“金色大伞”,叫做星载大型可展开天线。通过这把“金色大伞”,实现了地球与月球背面的通信。在上海东华大学的实验室里就有鹊桥中继卫星伞状天线的缩比样,这把金色大伞竟是用金属编织而成的。

  在东华大学纺织学院的实验室里,记者看到了这把“大伞”,伞骨上铺了一层薄薄的黄色金属网。专家介绍,金属网是星载可展开天线反射电磁波的关键部件,在发射进入轨道过程中能够展开,其能展开反射面的关键就在经编编织技术。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:火箭发射上去的时候,它是缩在火箭里面。到了轨道以后,它通过展开机构把卫星反射面慢慢展开成一个网状天线,所以我们称为可展开天线。它是柔性的,所以它可以展开,所以我们要通过纺织的编织技术来形成这么一个布面。

  星载可展开天线上的金属网原料选用的是金属钼丝,为了增加其性能,专家在极细的钼丝上又做了更多的镀层处理和加工。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:我们采用的原料称为镀金钼丝,就是在钼丝的基础上表面镀了金,因为金的反射率是非常好的。

  记者:展开的话金属丝特别细,编织是不是有一些特别的工艺才能编织得这么均匀?

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:这个就是我们的一些关键技术。首先钼丝非常细,大概15到30微米,还不到头发丝直径的四分之一。所以拉制本身具有很大的难度,另外表面还有镀金。镀金以后要保持一定的牢度,我们掺杂了一些有机元素,一方面提高了金属原材料的韧性,另外也让它表面具有更好的亲和力。所以,一些工艺的改善使钼丝的镀金以后在编织过程当中非常坚固。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:编织过程是相对非常精致和复杂的,首先我们要进行并线。因为它太细了,我们发明了一种并线加捻技术,金属丝三根并在一起,结构非常稳定。

  创新编织技术让卫星天线金属网更大更轻

  专家告诉记者,金属钼丝非常柔软,单股钼丝因为太细而强力不够,所以通常是用三四根钼丝合在一起来编织金属网。不过现在,在卫星大型化的趋势下,天线反射面越做越大,这有利于天地之间的通信。但面积大了,重量也会更重。怎么能让天线又大又轻呢?研究团队创新编织技术,现在可以用单股钼丝编织成更大更轻的金属网,最大的差不多有篮球场那么大。

  从2017年开始,东华大学产业用纺织柔性结构材料创新团队开始攻关金属钼丝单丝经编技术。经过5年的努力,创新研发了“微张力”经编技术及装备,极大减轻了新型天线反射面的重量。

  东华大学纺织学院教授蒋金华:它跟原来相比,可能重量轻1/3或者1/4,成本可能就降得更低,重量也降得很低。所以,现在最轻的网一个平方米可能克重不到20克。

  陆地探测四号01星天线接近篮球场大小

  2023年8月发射的陆地探测四号01星,其反射面就是采用极细金属钼丝单丝进行编织的,它的环形大天线展开面积接近一个篮球场场地的面积,极大提高了高轨卫星可展开天线反射面面积和通讯能力。

  东华大学纺织学院教授蒋金华:因为未来天线可能会越做越大,可能达到百米级或者公里级,都要求单丝的网格结构能满足超大型的卫星天线应用。现在通讯越来越频繁,要求数据通量越来越大。如果口径太小的话,就满足不了频繁的高通量数据传输。现在我们不光在做钼丝,其它的原料我们也在做,也在做一些尝试应用。

  天舟的“翅膀”编织出的“网球拍”

  1月17日,天舟七号货运飞船为空间站送去了一批生活物资和实验器材。原来天舟货运飞船的太阳翼基板竟然也是编织出来的,其玻璃纤维网状结构,看上去就像一个网球拍。

  玻璃纤维网状结构轻量化且抗氧化

  据介绍,天舟货运飞船采用的是半刚性太阳翼,这种太阳翼的边框为碳纤维,中间是玻璃纤维网组成的网面,类似一个网球拍,太阳电池片就钩挂于玻璃纤维网上。这种玻璃纤维网状结构,具备了轻量化的特点,而且对低轨空间环境中的原子氧、等离子体有更强的防护性。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:空间有大量的原子氧存在,氧化能力非常强,所以一般有机高分子材料被氧化得非常厉害,所以要选择一种抗氧化能力非常高的材料,我们就选择了无机材料玻璃纤维。

  玻璃纤维拥有抗氧化、重量轻等优点。但想用玻璃纤维编织成网,难度非常大。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:玻璃纤维也存在一个非常大的弱点,它的编织性能就非常差,因为它非常脆。纺织材料跟纤维的细度是密切相关的,纤维越细,柔软性就非常强。通过并股加捻以后,它变成一个非常粗的原材料,可以通过编织来达到这样一个目标。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:它还有一个好处,轻,都是网眼,把太阳能电池片钩挂在上面。

  玻璃纤维涂上树脂更耐空间环境

  玻璃纤维在编织成太阳能帆板的基板后,还会涂上树脂,以提升其性能。

  东华大学纺织学院教授蒋金华:涂树脂主要是让表面更平整,也可以给它起到一个保护作用。因为像有机硅这一类树脂,它耐空间环境更好,而且稳定性还有耐磨性也可以提高,把整体性能可以大大提高。

  你所不知道的“纺织”还能做这些

  新材料运用、新编织工艺,让纺织这个词不止局限于服装的概念。像刚才提到的“星载天线金属网”,已经在鹊桥中继卫星、北斗导航卫星、移动通信卫星等多种卫星上得到应用。纺织,不仅在航天领域的应用越来越广,在大飞机制造甚至在生物应用领域也大有可为。

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:纺织是一种材料,可能是一种特殊性的材料,比如说航天。航天领域,比如说可展开的天线,它要大型化。钢材是硬性材料,没办法做这么大,运载也没法运载。所以需要一种柔软的东西折叠起来,然后到了使用的场景展开,只有纺织品能够做成这种柔软的东西。

  通信无障碍手机连卫星

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:大型可展开天线主要是为了增强高性能卫星和地面数据的交流,主要应用在一些通信卫星、导航卫星,在北斗也有用。在通讯里面有天通卫星,也是用了反射面的天线。卫星和我们的手机可以通讯,这个天线是起到了非常决定性的作用。

  生物应用类脏器血管补片

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:纺织还有很多的应用领域可以去拓展,比如:生物医用领域。人体的脏器、血管、补片,这些东西都是跟纺织技术、纺织产品密切相关。

  碳纤维织物制造大飞机

  东华大学教授教育部产业用纺织品工程研究中心主任陈南梁:现在C919已经用上我们国家的碳纤维织物了,C929的用量会更大。航天领域也很多,用碳纤维材料做成的这种刚性材料已经非常普遍了。而柔性纺织材料的应用现在才刚刚开始,所以我们讲纺织科技也是有非常大的前景。

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