核心提要

• 在歐洲空間局 “未來航天運輸創新研究計劃(FIRST!)” 的支持下，瑞士CompPair公司聯合比利時Com&Sens 公司與瑞士電子和微技術中心(CSEM)，研發出一款新型自監測、自修復碳纖維復合材料。

• 卡珊德拉項目的測試表明，這款名為“HealTech(自愈科技)” 的材料可通過原位加熱修復使用過程中產生的裂縫。

• 該技術或將成為可重復使用航天運輸設備的理想選擇。

詳細解讀

借助前沿的復合材料技術，具備自愈能力的航天器結構或將很快成為現實。瑞士的CompPair公司、瑞士電子和微技術中心，與比利時的Com&Sens公司攜手歐洲空間局(ESA)，對其自研的自修復碳纖維產品進行改造，使其適配航天運輸領域的應用需求。Cassandra項目(“復合材料自主感知與修復/Composite Autonomous SenSing AnD RepAir” 的簡易縮寫)將傳感器和加熱元件整合進碳纖維復合材料中，讓航天器能夠自主修復初期損傷。該項目隸屬于歐洲空間局的 “未來航天運輸創新研究計劃”，該計劃致力于發掘并測試能推動歐洲航天運輸領域發展的創新技術。

圖手持Cassandra測試面板

航天領域的復合材料應用

碳纖維增強聚合物這類復合材料正越來越多地應用于航天器結構制造。這類材料以聚合物為基體，輔以碳纖維或玻璃纖維層增強，質地堅固且輕量化，還具備抗腐蝕性。但復合材料也存在易受損的問題 —— 尤其是在反復執行天地往返航天任務時，細微的裂縫會隨時間不斷擴大。而傳統的修復方式不僅成本高昂、耗時長久，還可能降低結構的整體強度。

基于這一痛點，CompPair 公司研發出了 “HealTech” 自修復復合材料。對該材料進行加熱時，其內部的修復劑會被激活并流動，從而修復由撞擊或應力產生的損傷。

圖測試樣品在加熱條件下進行 Cassandra 修復過程的紅外圖像

光纖傳感網絡實現損傷定位

研究人員將光纖傳感網絡整合進浸有樹脂的HealTech纖維中，制作出復合材料結構原型，這些傳感器能精準定位結構出現的任何損傷。一旦檢測到損傷，整合在材料中的3D打印鋁制加熱柵格會將材料加熱至100-140℃，完成修復。同時，材料中集成了多個加熱元件，可僅對受損區域啟動修復程序。

研究人員對尺寸從 2×10 厘米到 40×40 厘米不等的多款材料樣品開展了測試，重點驗證材料的損傷監測效果、均勻加熱能力和自修復性能。此外，團隊還進行了熱沖擊測試，以觀察材料在低溫貯箱的典型工作環境下的響應表現。該技術的下一階段測試，將聚焦于讓材料適配更大的結構件，例如完整的低溫燃料貯箱。

圖Cassandra 演示裝置示意圖

為歐洲航天領域帶來多重效益

這款材料能減少航天任務產生的廢棄物，是可重復使用運載火箭的理想材料。歐洲空間局的貝爾納?德科蒂尼表示：“將該技術應用到航天系統中，將為航天運輸領域帶來巨大效益，助力歐洲打造可重復使用的航天基礎設施，降低任務成本。這一成果充分彰顯了歐洲創新實力為航天領域發展帶來的價值?！?/p>

CompPair 公司首席技術官羅賓?特里蓋拉稱：“我對這項技術為未來航天器和運載火箭帶來的自主化與耐用性提升感到無比振奮，它正讓科幻照進現實！該項目是 CompPair 公司進軍航天領域的重要一步，HealTech技術為復合材料的健康監測與管理實現了前所未有的技術突破，清晰展現出自愈復合材料在提升可重復使用航天結構成本效益方面的巨大潛力。”

CompPair公司研發主管塞西莉亞?斯卡佐利解釋道：“我們的測試證實，集成了健康監測與加熱系統的 HealTech復合材料，具備自主損傷感知、自修復的能力，且抗微開裂性能優異。這讓該材料能夠滿足推進劑貯箱和可重復使用航天結構的嚴苛要求，為研發更輕量化、更易維護的航天器部件鋪平了道路?！?/p>

圖實驗室中的 Cassandra 演示面板

來源：ESA歐洲航天局