力箭一號發射，讓人耳目一新，科幻般的發射架，超短的準備時間，出色的運力，以及一箭多星的技術。有人拿印度的固體火箭SSLV跟中國的力箭一號進行了比較，發現兩個火箭的運載系數相差很多倍，瞬間感覺印度固體火箭非常原始。那中國到底掌握了什么樣的秘訣，讓力箭一號能實現這么優秀的性能呢？

我們先通過公開的數據來簡單比較一下中印火箭。印度SSLV火箭500公里近地軌道運力500公斤，起飛重量120噸，運載系數大概是0.4%。中國力箭一號500公里太陽同步軌道運力1.5噸，起飛重量135噸，運載系數大概是1.1%，明顯高于印度的火箭，近似是3倍的關系，這是非?？捎^的。其實，這還不是實際比例。雖然都是500公里圓形軌道，太陽同步軌道要比普通500公里近地軌道更難發射，需要消耗的燃料也更多。力箭的實際運載效率應該是印度SSLV的三倍以上。

如此看來，讓人很好奇，力箭一號究竟使用了什么神奇的技術，才能實現這種碾壓式的超越。要知道固體火箭的燃料基本都是差不太多的，燃料相同的情況下，運載效率差這么多肯定有其他方面的技術提升。

其實，中國力箭一號火箭明顯領先印度火箭，最主要的原因就是采用了國產新材料技術。印度的固體火箭一如既往選用了不銹鋼的外殼，而中國的力箭一號選用了碳纖維復合材料外殼。碳纖維復合材料密度是不銹鋼的五分之一左右，再加上碳纖維復合材料結構強度是不銹鋼的5倍以上，如此算下來，把不銹鋼換成碳纖維復合材料能大幅度降低火箭外殼的重量?；鸺鈿ぶ亓康臏p少，可以直接轉化為運載能力的提升，因為同樣裝藥量的背景下，火箭自身重量越小，可以攜帶的衛星重量就越大。

碳纖維增強復合材料在火箭上的應用

 

許多航天工業組織正在追求火箭結構的輕量化，在這種氛圍下碳纖維復合材料則成為輕量化首選。目前火箭飛行維持器的主要結構如翅片筒、鼻錐、機身等均可通過采用碳纖維復合材料 (CFRP)，可以有效降低重量。航天飛行器的重量每減少1公斤，可使運載火箭減輕500公斤，因此，碳纖維復合材料成為目前航天飛行器結構應用范圍最廣、技術成熟度最高的材料。對于運載火箭而言，碳纖維復合材料不但可以實現結構輕量化，而且也是功能化的關鍵原材料。目前航天器結構用碳纖維主要為PAN基碳纖維，而且以高強中模(T系列)、高強高模(MJ系列)為主，如火箭、導彈發動機大多采用高強中模碳纖維。

在運載火箭領域，碳纖維復合材料可用于制造固體發動機殼體結構、箭體整流罩、儀器艙、級間段、發動機噴管喉襯、衛星支架、低溫貯箱等部件。碳纖維復合材料在運載火箭應用的典型代表為發動機殼體。當發動機運轉工作時，殼體除了承受來自內外部的壓力外，會要面臨軸壓、彎曲、扭轉及橫剪等外部載荷，因此發動機殼體所用的碳纖維大多為強度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高強中模碳纖維，如日本東麗T800、T1000和美國赫氏IM7等。

 

當前，美國、日本、法國等國家的運載火箭發動機殼體均采用碳纖維復合材料制造，例如，日本的M-5火箭的發動機殼體等，運載火箭應用碳纖維復合材料在質量上比鋁合金材料減少10%-25%。

碳纖維復合材料在火箭領域應用面臨兩大難題

 

目前火箭飛行維持器的主要結構如翅片筒、鼻錐、機身等均可通過采用碳纖維復合材料(CFRP)，可以有效降低重量。

尤其是對于翅片筒結構，剛度是設計的首要要求，而CFRP具有高比強度和高剛度，經過粗略估計，碳纖維尾翅的重量約為2磅，而金屬鋁的重量約為5磅，而且碳纖維也具有更高的安全系數。

CFRP在火箭領域應用面臨兩大難題：其一，其強度隨制造工藝的不同而變化很大，其二，與金屬材料相比，它們通常在相對較低的溫度下失效。

第一個問題可以通過僅在剛度是主要設計參數的結構如翅片筒、上機身和鼻錐等使用碳纖維來解決的，而級間結構則采用金屬，因為金屬可以承受很大的壓力。

第二個問題的解決方案是通過采用高溫、高壓釜外(OOC)預浸料系統，特別是TAC公司TC420氰酸酯高耐熱性增韌樹脂系統。開發這種環氧樹脂的部分原因是為了取代波音ORION航天器中的鈦隔熱板，該樹脂具有多種優勢：可在僅350°F的溫度下進行簡單的OOC處理，在500°F的溫度下可進行獨立式后固化，最終玻璃化轉變溫度(Tg)為660 +°F，它也能起到良好的燒蝕作用。

對于鼻錐結構，國外某型號火箭鼻錐采用TC420 1K碳纖維平紋織物制成，使用18層，最終壁厚為0.1英寸。為了減少層的起皺，在施加了50％重疊的收縮帶的施加壓力下，一次固化了4-6層，從而產生了10-15psi的壓力范圍。疊層后，使用心軸將零件打磨并擺成直角，以將零件固定在車床上。

火箭的上機身結構也可以采用CFRP材料，在由德國航空航天中心、瑞典國家航天局和ESA資助項目中，慕尼黑工業大學科研人員針對火箭上機身采用模塊化設計，該模塊包括一個圓柱形CFRP外殼(直徑為356 mm，長300 mm)，兩個熱塑性復合材料徑向（徑向）載荷輸入環，一個凸形和一個凹形，以及用于連接的螺栓。CFRP材料由碳纖維/聚醚醚酮(PEEK)材料制成，與金屬鋁相比，它具有較高的機械和熱性能以及較高的比強度和剛度，最終使重量降低了40%。

應用碳纖維復合材料的火箭有哪些

 

Neutron號火箭

采用碳纖維復合材料結構，“中子”(Neutron)號火箭將成為全球第一個碳纖維復合材料大型運載火箭。

憑借先前開發小型運載火箭“電子”(Electron)的成功經驗，美國領先的發射和空間系統公司“火箭實驗室”(Rocket Lab USA)開發了一款名為“中子”(Neutron)的大型運載火箭，其載荷能力達8噸，可用于載人航天、大型衛星星座發射和深空探測等任務。該火箭在設計、材料和可重復利用方面取得了突破性成果。

 

Electron號火箭

與SpaceX的獵鷹9號(Falcon 9)或藍色起源(Blue Origin)的新牧羊犬(New Shepherd)等巨型火箭相比，Electron號像是一個嬰兒火箭，因為其最大有效載荷僅為225千克，而獵鷹9的最大有效載荷為22800千克。但Electron與這些大型火箭不同之處在于，它專門設計用于將稱為立方體衛星的微小衛星送入太空。對于發射輕型有效載荷的需求來水，它的發射價格也相對便宜，每次發射550萬美元，而將SpaceX獵鷹9號火箭送入軌道通常需要6000萬美元。

中國力箭一號火箭

中國力箭一號500公里太陽同步軌道運力1.5噸，起飛重量135噸，運載系數大概是1.1%，力箭一號選用了碳纖維復合材料外殼。中國的碳纖維生產技術不斷提高，最終攻克了T700、T800高性能碳纖維生產技術。

 

碳纖維復合材料在火箭上的應用已經相對成熟，隨著碳纖維復材的更新迭代，后續出現的連續碳纖維增強熱塑性復合材料相繼問世。制造火箭的多個部件可能還會迎來新的變化，碳纖維航空航天應用也就得到更多的成效，我們拭目以待。