【技术干货】详细盘点美国“毅力号”火星探测器中的先进复合材料特性及应用
摘 要
本文主要介绍了火星探测器中的先进复合材料体系，该材料体系主要有日本东丽公司旗下Toray Advanced Composites（TAC）公司提供。
《TAC公司复材在运载火箭上应用》（阅读原文）
《TAC公司压模结构件应用实例》（阅读原文）
《TAC公司复材在医疗工业中应用》（阅读原文）
《TAC公司压缩成型工艺及产品》（阅读原文）
《TAC公司耐高温树脂特性及应用》（阅读原文）
《TAC公司飞机内饰用热塑性复材》（阅读原文）
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TAC材料在火星探测器应用概述
Toray Advanced Composites（TAC，东丽先进复合材料公司）再次证明了其在太空探索领域的悠久传统。
在多次成功执行太空任务的基础上，Toray公司与美国宇航局NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、洛克希德·马丁公司和AeroVironment合作，在“毅力号”火星探测器、Ingenuity直升机和航天器的保护性机壳/隔热板上使用先进的复合材料，为2020年火星任务提供支持。
2020年火星任务于2020年7月启动，是TAC公司第四次访问这颗红色星球。TAC公司高度工程化的先进复合材料为MAVEN轨道飞行器、好奇号漫游者和InSight着陆器的成功做出了贡献。此外，东丽公司的复合材料已经在太阳系周围的无数卫星和探索性太空飞行器上飞行。
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太空环境对材料体系的要求
“火星2020”航天器及其运载工具不但需要忍受太空旅行和行星进入的极端考验，而且要成功地完成其关键任务，这些都依赖于久经考验的高质量、高性能材料。东丽公司复合材料为其提供了一个成功的空间谱系，该优异特性包括：
优异的韧性和抗微裂纹性
高玻璃化转变温度（High Glass transition temperature,Tg）
低湿膨胀系数（Low Coefficient of moisture expansion, CME）
低热膨胀系数（Low Coefficient of thermal expansion, CTE）
低放气
对辐射暴露和热循环具有高耐受性
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火星探测器中的热防护材料
由洛克希德·马丁公司设计的“火星2020”隔热罩（Aeroshell）需要坚固的耐热材料，以保护有效载荷温度免受超过2093°C（3800°F）和进入时速度超过12000英里/小时（19312公里/小时）的最高压力的影响。
更为复杂的设计是，这种结构外壳也是有史以来为行星任务建造的最大外壳结构，其直径近15英尺（4.5米）。
洛克希德·马丁公司选择了日本东丽的高模量碳纤维增强氰酸酯预浸料，以在结构上增强隔热板的内部，其中碳纤维型号日本东丽M55J级高模量碳纤维；隔热板的外部受到酚醛浸渍碳烧蚀剂热保护系统的保护。
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火星探测器探测车中的结构材料
TAC公司先进复合材料在此前的“好奇号”火星探测器探测车上获得成功应用之后，此次再次成功用于“好奇号”探测器。各种预浸料和单向带被用来加强火星探测器的强度，并保护探测器的各种结构部件，包括着陆甲板和蜂窝夹芯板结构区域。
之所以选择这些东丽复合材料是因为它们在太空中的长期成功传承、低热膨胀系数和低排气量。氰酸酯预浸料显示出类似于环氧树脂的特性，但专门为在真空中使用而开发，它可作为环氧树脂的替代品，环氧树脂更具吸湿性，并且在真空中容易排气。
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火星探测器直升机中的材料
东丽复合材料是JPL的Ingenuity直升机最重要结构件——旋翼桨叶的组成部分。这架飞机的桨叶与地面直升机的桨叶非常不同，需要非常专业和经过验证的材料。
独特的设计比地面刀片更长、更厚，可以充分利用稀薄的空气。叶片还必须尽可能轻，并且比其陆地对应叶片坚硬得多，以在没有较厚大气层的情况下保持稳定性。
为了满足这些要求，JPL的分包商AeroVironment生产的桨叶选择东丽碳纤维/氰酸酯单向预浸料，可提供最佳的机械性能、高抗辐射性、低吸湿性和低脱气性，同时保持无与伦比的韧性。
这种轻质复合材料在抵抗微裂纹的能力方面表现出色，即使在经受热循环和高水平辐射的情况下也是如此。它还显示出低介电和低损耗值，并且可以进行后固化、独立放置，以提高温度关键型结构的热性能。