¿Cuáles son el estado actual y las tendencias de desarrollo de los materiales compuestos de fibra en los carenados de los vehículos de lanzamiento?

El carenado del satélite es uno de los componentes más importantes de un vehículo de lanzamiento y posee una buena forma aerodinámica, una masa estructural ligera y una capacidad de separación fiable. Su función principal es mantener la forma aerodinámica del vehículo de lanzamiento durante el pre-lanzamiento y el vuelo, protegiendo la carga útil en el interior de la influencia del entorno natural externo y la erosión aerodinámica, y separándose de manera confiable del cohete después de salir de la atmósfera. La Figura 1 muestra el carenado del vehículo de lanzamiento en estado de separación. El carenado está ubicado en la parte delantera del vehículo de lanzamiento, protegiendo el satélite y otros instrumentos de precisión dentro del vehículo de lanzamiento de la corrosión por calor durante la salida atmosférica. Una vez que el vehículo de lanzamiento ha salido de la atmósfera, el carenado ya no cumple su función y, en este punto, para reducir el peso del cohete, el carenado se separa del vehículo de lanzamiento. Para garantizar la transmisión de datos entre la carga útil dentro del carenado y el mundo exterior antes de la separación, el carenado generalmente tiene capacidades de transmisión de ondas electromagnéticas. Actualmente, los carenados de satélites tanto a nivel nacional como internacional se dividen principalmente en dos categorías: estructuras metálicas remachadas y estructuras de materiales compuestos. Las estructuras metálicas remachadas suelen utilizar aleaciones de aluminio, mientras que las estructuras de materiales compuestos utilizan materiales compuestos de fibra a base de resina-con capacidades de transmisión de ondas-. Los carenados diseñados y fabricados con materiales compuestos de fibra a base de resina-pueden reducir eficazmente el peso estructural en un 20%-30%, aumentando la capacidad de carga útil del cohete y reduciendo el consumo de combustible del motor bajo la misma carga útil, reduciendo así los costos de lanzamiento de cohetes. Además, los materiales compuestos de fibra a base de resina-ofrecen una mayor flexibilidad de diseño que los materiales metálicos, lo que permite un diseño y fabricación integrados, reduce la cantidad de componentes estructurales y mejora la confiabilidad estructural. La excelente resistencia a la corrosión, al calor húmedo, a la radiación y a la fatiga de los materiales compuestos de fibra a base de resina extienden la vida útil de la estructura del carenado, permitiendo así su recuperación.

2.1 Materiales del panel La estructura del panel proporciona la forma aerodinámica del carenado. El material del panel es un material compuesto de fibra a base de resina-, compuesto por un material de matriz y materiales de refuerzo. Los materiales compuestos de fibra-a base de resina son livianos, de alta-resistencia y resistencia al calor-, con una alta flexibilidad de diseño y pueden lograr una funcionalidad de transmisión de ondas-en una amplia gama, lo que los convierte en materiales ideales para carenados. Este capítulo analiza los materiales de carenado a base de fibra y resina-de uso común tanto a nivel nacional como internacional.

2.1.1 Materiales de fibra Los compuestos de fibra a base de resina- poseen ventajas tales como una alta resistencia específica y un alto módulo específico. Los materiales de refuerzo de alto-rendimiento comúnmente utilizados en paneles de carenado tanto a nivel nacional como internacional incluyen fibra de carbono, fibra de vidrio y fibra de aramida.

La fibra de carbono posee muchas propiedades excelentes, que incluyen alta resistencia y módulo axial, baja densidad, ausencia de fluencia, buena resistencia a la fatiga, bajo coeficiente de expansión térmica y buena conductividad eléctrica y rendimiento de blindaje electromagnético. Ha sido ampliamente utilizado en el campo aeroespacial.fibra de vidrioes el material de refuerzo más comúnmente utilizado para revestimientos de carenado transparentes-ondulados, y posee ventajas como alta resistencia, excelentes propiedades dieléctricas, baja absorción de humedad y estabilidad dimensional. Cuarzofibra de vidrioPosee las mejores propiedades dieléctricas de todas las fibras de vidrio y permanece esencialmente sin cambios en una amplia banda de frecuencia, lo que permite la transmisión de ondas de banda ancha en los carenados. Además, la fibra de cuarzo exhibe un excelente rendimiento de transmisión de ondas a altas temperaturas, y los carenados más avanzados en el extranjero utilizan actualmente fibra de cuarzo como material de refuerzo. La fibra de aramida, una fibra especializada de alta-tecnología, posee alta resistencia y alto módulo, excelente resistencia al calor y retardo de llama, y ​​se utiliza en aplicaciones aeroespaciales como chalecos y cascos antibalas de aramida. Sin embargo, la naturaleza higroscópica de la fibra de aramida afecta sus propiedades dieléctricas, lo que limita su aplicación en carenados transparentes-ondulatorios.

2.1.2 Materiales de resina Los carenados generalmente utilizan resinas termoendurecibles de alto-rendimiento como material de matriz del panel, incluida la resina epoxi (EP), la resina de bismaleimida (BMI) y la resina de éster de cianato (CE), etc. La resina epoxi es el material de resina más comúnmente utilizado. Cuenta con excelentes propiedades termodinámicas, una gran procesabilidad y propiedades eléctricas superiores, lo que lo convierte en un elemento básico en las matrices de resina compuesta. Sin embargo, la resina epoxi adolece de una pobre resistencia al impacto y una disminución significativa de sus propiedades mecánicas en condiciones de humedad y calor. En los últimos años, los investigadores se han centrado en agregar grupos flexibles a los sistemas epoxi para mejorar su dureza y resistencia al calor. La resina de bismaleimida (BMI), como material de poliimida aromática, posee una excelente resistencia a altas y bajas temperaturas, alta resistencia y módulo, bajo coeficiente de expansión térmica, baja constante y pérdida dieléctrica, bajos volátiles al vacío y condensables bajos en volátiles. También comparte ventajas similares con la resina epoxi, como la facilidad de procesamiento, y se usa ampliamente en el campo aeroespacial. Sin embargo, sus desventajas incluyen un alto punto de fusión, mala solubilidad y alta fragilidad. La resina de éster de cianato (CE) es un nuevo tipo de resina desarrollada en la década de 1980. Presenta una constante dieléctrica baja, resistencia a altas temperaturas y resistencia al calor húmedo, y se utiliza principalmente en placas de circuito impreso de alto-rendimiento y materiales estructurales transparentes de alto-rendimiento. Sus desventajas incluyen una alta fragilidad y poca tenacidad después del curado. Para aumentar la tenacidad del sistema de resina, BMI y CE generalmente utilizan sistemas de resina mixta modificada endurecida como matriz de material compuesto. Los sistemas de resina modificados BMI y CE, si bien garantizan una excelente resistencia al calor húmedo y las propiedades dieléctricas, pueden mejorar la resistencia al impacto de la estructura.

2.2 Materiales tipo sándwich La estructura tipo sándwich del carenado desempeña una función de soporte para el material del panel y sus parámetros de rendimiento afectan en gran medida las propiedades mecánicas de la sección de transmisión de ondas-del carenado satélite. El material sándwich debe cumplir los siguientes requisitos: baja densidad, alto módulo de compresión, alto módulo de corte, alta resistencia a la flexión y excelentes propiedades dieléctricas. Los principales materiales sándwich de carenado que cumplen estos requisitos son:fibra de vidriopanal, panal de aluminio, panal de papel Nomex y panal de espuma PMI (polimetilmetacrilato).

El panal de fibra de vidrio tiene un efecto de reducción de peso insignificante y propiedades mecánicas deficientes. En el campo aeroespacial, el panal de papel Nomex y el panal de espuma PMI lo han reemplazado gradualmente; la combinación de paneles de aluminio alveolar y fibra de carbono puede causar corrosión electroquímica, incumpliendo los requisitos de resistencia a la corrosión de los materiales compuestos en el duro entorno de las naves espaciales; El panal de papel Nomex está hecho de aramida impregnada con resina fenólica, y la combinación de panal Nomex y paneles de fibra de carbono no causa corrosión electroquímica, tiene un módulo de corte más alto que la espuma rígida PMI, tiene un costo menor, tiene buena procesabilidad y se usa ampliamente en fuselajes, conectores y otras partes, lo que lo hace ampliamente utilizado en el campo aeroespacial; La estructura sándwich de espuma PMI es superior a otras estructuras sándwich de panal en muchas propiedades mecánicas y es una estructura rígida de alta-rigidez. Con una resistencia a la tracción superior a 0,5 MPa, una densidad inferior a 100 kg/m³ y una temperatura de distorsión por calor que alcanza los 240 grados, PMI exhibe una excelente resistencia de unión interfacial con resinas termoestables como EP, BMI y CE. Como estructura tipo sándwich, es menos propensa a desprenderse de la interfaz del panel. Además, las estructuras PMI ofrecen un excelente rendimiento de transmisión de ondas, lo que permite la transmisión de ondas de banda ancha y al mismo tiempo cumple con los requisitos de carga. Se utiliza ampliamente en carenados en el extranjero y, en el país, se utiliza principalmente en componentes estructurales de aeronaves civiles. La nueva generación de vehículos de lanzamiento-la serie Long March 3A-adoptó una estructura sándwich PMI de producción nacional para su cono frontal de carenado, lo que reduce los costos de lanzamiento de satélites y demuestra amplias perspectivas de aplicación.

Estado actual del desarrollo del material de carenado nacional

Para satisfacer las futuras necesidades de desarrollo de carenados para los vehículos de lanzamiento y otras naves espaciales de mi país, varias universidades e institutos de investigación de China se han centrado en modificar materiales compuestos de fibra para diseñar y desarrollar materiales compuestos de fibra de alto-rendimiento y bajo-costo. Esto ha mejorado la capacidad del vehículo de lanzamiento para acceder al espacio y ha reducido los ciclos y costos de lanzamiento.

En la investigación de materiales a base de resina-para carenados de vehículos de lanzamiento, Yang Shiyong et al. del Instituto de Química de la Academia de Ciencias de China, han desarrollado una serie de matrices de resina de poliimida, incluida la primera generación resistente a 316 grados, la segunda generación resistente a 371 grados y la tercera generación resistente a 426 grados. También han desarrollado diferentes métodos de moldeo para compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de carbono resistentes a altas-temperaturas, incluida la tecnología de autoclave al vacío, la tecnología RTM al vacío de alta-temperatura y la tecnología reactiva de moldeo en caliente. He Guowen realizó estudios de análisis microscópicos sobre la preparación y la resistencia de la unión interfacial de compuestos de poliimida, proporcionando una referencia para la aplicación de compuestos de poliimida en carenados de aviones. Rao Xianhua de la Universidad de Jilin ha realizado investigaciones sobre matrices de resina de poliimida terminadas en fenilacetileno-de alto rendimiento y sus compuestos de fibra de carbono, ampliando los horizontes para el desarrollo de carenados compuestos de fibra de carbono de poliimida resistentes a altas-temperaturas. El Instituto de Investigación de Procesos y Materiales Aeroespaciales ha desarrollado un material compuesto de poliimida reforzado con cuarzo-que se puede utilizar a largo plazo-a temperaturas de hasta 370 grados. Este material también presenta una constante dieléctrica y una pérdida dieléctrica bajas, un rendimiento estable y excelentes propiedades dieléctricas y mecánicas, lo que lo convierte en un candidato adecuado para un material funcional -transparente/alta-carga-de ondas. Zhang Xing y cols. diseñó un carenado de satélite totalmente ondulado-transparente utilizando un panel de fibra de vidrio-estructura tipo sándwich de papel de aramida en forma de panal. Los resultados experimentales han verificado que logra una capacidad de transmisión de ondas de alta-eficiencia con una tasa de transmisión de ondas omnidireccional promedio del 90 %. Incluso con una reducción de peso de más del 20 %, la capacidad de carga-aún cumple con los requisitos de diseño, lo que logra un peso ligero, una alta capacidad de carga-y una funcionalidad de transmisión de ondas omnidireccional, que se ha verificado en pruebas de vuelo. Qu Guangyan, del Instituto de Investigación de FRP de Harbin, diseñó una estructura de carenado de material compuesto liviano, de alta-resistencia y espesor-controlable mediante un proceso de co-curado de material compuesto de fibra de carbono de alta-resistencia. Esto supera los desafíos de diseño de moldes que plantea la tecnología de moldeo integrado a gran-escala. El carenado de material compuesto de fibra de carbono de alta resistencia mantiene su forma aerodinámica al tiempo que garantiza grandes dimensiones, protegiendo la carga útil interna de las influencias ambientales externas.

Estado actual del desarrollo de materiales de carenado en el extranjero

Estados Unidos cuenta con la tecnología más avanzada en el diseño y fabricación de materiales para carenados de vehículos de lanzamiento. Los materiales de carenado incluyen materiales tanto inorgánicos como orgánicos, y los procesos de moldeo incluyen envasado al vacío, moldeado y fundición. Estados Unidos cuenta con pruebas integrales de rendimiento del carenado y métodos experimentales, así como tecnología de túnel de viento para pruebas en el mundo real-. En la década de 1970, EE. UU. desarrolló el material compuesto Duroid 5870 y completó pruebas sobre carga térmica del carenado, propiedades eléctricas de alta-temperatura, ablación y resistencia a la erosión por lluvia. También desarrolló equipos automatizados de prueba de carenado para pruebas de rendimiento eléctrico. Actualmente, en el sistema de materiales compuestos a base de -resinas orgánicas resistentes a altas temperaturas- (HTPMC), las resinas PI (PMR-15 y PMR-50) desarrolladas por EE. UU. se han convertido en materiales fundamentales en la industria aeroespacial, promoviendo significativamente la aplicación de materiales compuestos PI en grandes componentes estructurales y reduciendo costos. Las excelentes propiedades dieléctricas de la fibra de cuarzo facilitan la transmisión de ondas de banda ancha, y la mayoría de los carenados de los vehículos de lanzamiento extranjeros ahora están hechos de materiales compuestos de fibra de cuarzo. Estados Unidos ha desarrollado una estructura de carenado compuesta de resina PI reforzada con fibra de cuarzo-con una temperatura de funcionamiento superior a 538 grados. Rusia posee tecnología de fabricación de materiales compuestos líder-en el mundo. Mientras desarrolla y aplica materiales avanzados resistentes a altas temperaturas, también ha desarrollado nuevos materiales compuestos adecuados para carenados de banda ancha y carenados de modo dual electromagnético/infrarrojo. Al mismo tiempo, está fortaleciendo la investigación sobre tecnologías de fabricación y procesamiento de carenados, centrándose en el diseño estructural y de rendimiento eléctrico de los carenados. La resina fenólica modificada desarrollada por Rusia ha logrado niveles muy altos de procesamiento y rendimiento de transmisión de ondas, con una temperatura máxima de funcionamiento de 600 grados, y se ha aplicado con éxito a carenados de banda ancha.