一種用于大批量小型衛星結構的新方法使用低CTE、低成本CFRP蜂窩芯、堅固的單層蒙皮和模塊化面板系統，以縮短反射器、太陽能電池陣列等的交付周期、勞動力和成本。

面板使用Patz Materials and Technologies的Apex芯和A&P Technology的HM63 QISO織物表層

先進的復合材料和復合結構高速生產的進步正在重塑衛星設計和制造的格局。傳統的衛星開發長期以來一直依賴于昂貴的材料和勞動密集型的制造工藝，如手工疊層，這僅適用于價值數十億美元的航天器。但是，商業衛星市場的快速擴張，特別是在大型小型衛星星座中，需要范式轉變：更快的生產、更低的成本和適合大批量制造的高性能材料。

為此，三家經驗豐富的復合材料供應商合作開發了一種低成本、低勞動力的輕質高模量（HM- high modulus）碳纖維增強聚合物（CFRP）芯板方法，用于衛星光學臺、太陽能電池陣列基板、反射器和主要結構的模塊化構建塊等應用。Patz Materials and Technologies（PMT，Benicia，California，U.s.）使用A&P Technology（美國俄亥俄州辛辛那提）的準各向同性（QISO-quasi-isotropic）編織材料生產Apex CFRP蜂窩芯，其成本是HM蜂窩芯的十分之一，同時保持了高精度光學和高性能結構所需的輕質和超低熱膨脹系數（CTE- coefficient of thermal expansion）。

PMT還使用QISO生產堅固的單層面板。Rock West Composites（RWC，美國加利福尼亞州圣地亞哥）正在將這些組件組合在一起，用于其Strato系列夾層板、板和管，以及用于太空的太陽能電池陣列基板。后者以及射頻（RF- radio frequency）通信反射器已經過RWC的測試，證明了下一代衛星的關鍵可制造性和性能優勢，包括顯著縮短設計到生產周期和材料/結構鑒定的能力。

航天傳統供應商合作推出新方法

PMT在航空航天、國防、工業和航天市場開拓高性能復合材料方面有著悠久的歷史。該公司以其在滿足苛刻的熱和機械要求的樹脂系統、預浸料和芯材方面的深厚專業知識而聞名。PMT總裁尼克·帕茨（Nick Patz）表示，該公司認識到需要一種新方法——一種以以前成本的一小部分提供高性能材料的方法。

“在過去的10年里，我們注意到市場發生了變化，大型衛星正在被星座取代，”他說，“我們開發的許多材料都是為了取代傳統上用于大型衛星的材料。”

盡管需要高速生產和降低成本，但性能仍然是關鍵驅動力。太空應用需要具有低CTE的輕質HM材料。PMT開始與RWC和A&P Technology合作，尋找滿足必要性能標準的解決方案，并實現支持中小型衛星蓬勃發展需求的可制造性。

RWC以其敏捷性和工程深度而聞名，它彌合了研發和可擴展生產之間的差距。該公司專門從事空間、國防和商業應用復合材料結構的設計和制造。RWC提供一系列空間級產品，旨在以更短的交付周期提供高質量的組件。其Strato系列產品滿足太空的關鍵要求，包括低放氣、低至零CTE、HM材料和寬工作溫度范圍。

與此同時，航空航天領域的長期合作伙伴A&P Technology正在為合作提供先進的編織面料，包括其0°、+/-60°QISO材料。QISO有助于提高多向強度、懸垂性和制造效率。

通過利用分散拖曳技術和先進的制造技術，合作伙伴正在創造專為中小型衛星設計的輕質、高性能碳纖維芯和預浸料系統。帕茨解釋說：“當你制造數百或數千顆衛星時，你希望獲得與傳統大型衛星結構相同的零CTE、低放氣、高剛度和低密度，但你需要更低的價格。”。“通過將我們的核心技術與一些絲束展開和A＆P的編織技術相結合，我們將這些相同的性能帶入了一個經濟的領域，無論是在材料成本還是總制造成本方面。”

A&P Technology的QISO材料能夠實現高速生產夾芯板，特別是當用作單層蒙皮時，仍然可以滿足空間的性能要求。

單層蒙皮，碳纖維增強塑料芯

在過去的幾年里，PMT一直在與A&P Technology合作，開發專為太空應用設計的用于表皮和核心材料的HM預浸料。A&P的+/-0°、60°QISO織物的平面內各向同性使單層疊層能夠滿足性能要求，同時減少層數和制造復雜性。

在大多數傳統空間應用中，用于芯夾層板的蒙皮材料使用HM碳纖維增強氰酸酯預浸料。通常，大型衛星客戶將八層準各向同性蒙皮與蜂窩芯結合在一起，制成結構夾芯板。PMT的方法僅使用一層赫氏（Hexcel-美國康涅狄格州斯坦福德）基于HexTow HM63的QISO來代替八層HM單向（UD）膠帶。因此，展開絲束QISO將每個表層的纖維質量從8層100克/平方米（gsm）或800gsm降低到310gsm。

PMT使用相同的方法來制造其Apex通風CFRP芯材。衛星結構傳統上使用通風蜂窩芯，以防止發射過程中快速加壓對結構造成損壞。對于Apex蜂窩芯，PMT控制展開的絲束材料，以提供一種開放式結構，使其能夠通過蜂窩壁通風，而無需像鋁或Nomex蜂窩芯那樣手動穿孔。攤鋪牽引QISO還將所需材料量減少了一半，但仍能滿足PMT的強度和剛度目標。帕茨指出，通過減少材料使用和更簡單的疊層，Apex芯的成本是傳統HM芯的十分之一，并且提供了一種吸濕性低、剪切性能高的結構。

節省的材料量轉化為成本節約和密度降低。帕茨解釋說：“這實際上是一種非常昂貴的材料，這將使其不適用于這些商業市場，但我們使用的材料要少得多，這降低了每平方英尺加固的成本，使我們能夠制造出一種廉價、輕質的蜂窩碳纖維增強塑料芯，如果沒有展開拖曳技術，這是不可能的。”由此產生的芯材料還提供了零CTE，這對高分辨率成像系統的光學精度至關重要。

可制造的模塊化結構，成本更低

這種方法產生了可訪問和模塊化的空間結構，其潛在應用包括光學臺、太陽能電池陣列基板、反射器、可部署的吊桿和航天器積木。合作伙伴一致認為，這些材料的形狀因子提供了前所未有的熱穩定性，這對高分辨率成像系統也至關重要。

帕茨解釋說：“光學和成像技術已經到了透鏡位移埃級影響整體分辨率的地步。”。“熱膨脹最終會推動很多設計。這就是為什么許多大型衛星使用極其昂貴的材料來獲得CTE。這是一種實現類似屬性的解決方案，但價格更具成本效益。”

隨著性能目標的實現，這種材料方法幫助克服的另一個障礙是成本。更少的層數意味著所需的材料更少，工時更少，制造過程更加簡化，所有這些都有助于降低成本。此外，HM63是一種美國國產碳纖維，這也有助于避免因關稅而產生額外成本，避免出口管制和最終用戶審批延誤，并確保供應可用性。

帕茨說：“可制造性最終成為一個非常大的成本驅動因素，因為你可以使用標準壓固化快速制造這些產品。”。“只需將其推出，放入壓機中，保持壓力，就可以得到零CTE的HM面板。”

這種改進的可制造性為每年生產數百顆衛星的公司提供了顯著的優勢。帕茨說：“我們與客戶合作的一個有趣領域是庫存管理。”。“他們現在甚至可以在設計之前就制造出一堆這樣的面板，然后從庫存中取出面板，進行修剪、加工和組裝?，F在，從設計到制造的周轉時間是幾周，而不是幾年。”

衛星反射器.

下架進入太空

RWC希望在兩條主要產品線中利用這種材料：太陽能電池陣列基板和大批量反射器。RWC空間結構部門總監杰里米·塞恩（Jeremy Senne）指出，該公司的目標是每年使用復合材料生產100多個反射器，這是對當前行業基準的重大飛躍。

太陽能電池板通常由超薄HM三至六層蒙皮（約0.010-0.020英寸）和低密度芯構成，以最大限度地減輕重量并最大限度地擴大航天器的發電表面積。對于某些設計，這些蒙皮是在面板固結之前預先固化的不平衡疊層，這意味著在自由狀態下，它們會呈現出明顯的曲率，直到它們被關于核心的對稱性所平衡。HM63 QISO織物使這些蒙皮成為HM和準各向同性的單層，從而將總制造接觸勞動力減少了10-20%，縮短了交付周期，并消除了與薄而不平衡的預固化蒙皮相關的挑戰。

反射器通常也由薄的HM織物表層和低密度芯構成，以最大限度地減輕重量并最大限度地擴大與RF通信相關的表面積。蒙皮通常至少是兩層織物，以保持準各向同性的結構特性，并避免與UD材料相關的極化。與太陽能電池板類似，HM63 QISO織物使反射器蒙皮能夠保持與傳統設計相同的重量和蒙皮厚度，但采用HM和準各向同性的單層，減少了制造接觸勞動力和交付時間。

測試和試驗

圖1. 測試中使用的面板配置

通過測試（圖1. 表1），RWC已經證明，由HM63 QISO織物制成的面板在強度、剛度、CTE和RF反射率方面與使用傳統材料制成的面板具有接近同等的性能。這可以從面板結構測試和射頻反射率測試結果中看出，如表2所示。

表1. 用于測試的材料組合。

失效前后共固化ASTM D7249試樣顯示壓縮表皮失效

HM63 QISO織物的拉伸、壓縮模量和壓縮強度與傳統的準各向同性HM63蒙皮相似，盡管織物結構不同。扁平強度也相似，盡管預固化的蒙皮表現出略低的值?？偟膩碚f，RWC得出的結論是，雖然可能需要更多的測試才能完全合格，但HM63 QISO織物可以代替傳統的單帶蒙皮用于此類面板，并與典型的設計驅動性能相匹配。

表2. QISO蒙皮面板的抗壓強度、抗壓模量、拉伸模量和平向張力與顯示類似性能的遺產設計的相對比較

RWC還對裸露的、未涂層的HM63 QISO織物夾層板進行了射頻反射率測試，以確保其他反射器材料也能達到類似的性能，并且三向編織不會導致任何偏振挑戰。初步測試，并與2-16千兆赫的拋光銅基線進行比較，包括S波段、C波段、X波段和Ku波段頻率的橫向電場（TE-transverse electric）和橫向磁極（TM-transverse magnetic ）。分析TE和TM結果可以表征材料的光學特性及其在各種應用中的潛力。

測試數據顯示，相對于銅，HM63 QISO反射器在該頻率范圍內表現出-0.2至-0.6分貝的損耗，而不管入射角在10°至60°之間，軸比接近1。根據RWC的說法，這些數據強烈表明，在該頻率范圍內，該材料在未涂層狀態下對反射器的性能良好。RWC接下來將在16-40千兆赫下進行測試，以表征其他關鍵射頻頻段的性能。

圖2. HM63 QISO材料在2-18千兆赫的三個入射角下的信號回波損耗歸一化為拋光銅-TE Pol。

圖3. HM63 QISO材料的信號回波損耗為2-18千兆赫，三個入射角歸一化為拋光銅-TM Pol。

RWC還進行了一項制造試驗，以證明使用HM63 QISO織物材料的反射器的單一固化工藝。該織物表明，它具有足夠的懸垂性，可以作為兩種蒙皮的單一未拼接層。該材料與PMT的每立方英尺1.6磅的Apex HM碳芯共固化，然后使用傳統反射器設計中使用的傳統工藝進行加工。沒有發現可制造性問題，并且該材料被證明是這些類型結構的良好候選者。此外，對于多層蒙皮設計，反射層切割和鋪設時間從2-3天縮短到一天。

使用PMT的高模量（HM）碳芯制造的面板在使用傳統工藝加工時顯示出良好的效果

簡化資格認證和高容量準備

將復合材料用于太空并不是什么新鮮事。然而，復合材料技術的最新突破正在改寫規則，PMT、RWC和A&P等公司正在幫助開創衛星材料的新標準，該標準符合當今商業太空競賽的速度、成本和性能要求。從實現可部署結構到提高光學系統的熱穩定性，他們的創新正在為下一代航天器奠定基礎——通過標準化和庫存就緒的面板，設計到生產周期可以從幾個月縮短到幾周。

降低材料和制造成本也意味著小型衛星項目所涉及的風險較小，這有助于簡化材料認證的流程。曾經需要8-10年才能獲得傳統衛星平臺的資格，現在可以在短短一年內實現。這種簡化的資格認證流程對商業衛星公司至關重要，這些公司每年必須使數百顆衛星上線。隨著商業航天工業的不斷發展，這些創新的復合材料代表了一次重大的飛躍，有望實現更容易獲得、更高效和更復雜的衛星技術，使最后的前沿比以往任何時候都更容易進入。

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原文，《 Revolutionizing space composites: A new era of satellite materials 》 2025.7.28

楊超凡 2025.7.30