高模量碳纖維是一種含碳量99%以上高性能碳纖維，由于具有高強度、高模量、低熱膨脹等優異特性，高模量碳纖維廣泛應用于航空航天領域，尤其是其結構件在太空高低溫交變環境下具有優異的尺寸穩定性，因此高模量碳纖維成為衛星用高性能材料的選。

 

本文主要介紹了高模量碳纖維與氰酸酯樹脂在太空望遠鏡領域的應用，主要工作基于日本航天探索局在CFRP材質太空反射鏡領域的研究工作，考察了CFRP在太空望遠鏡應用的可行性。

 

1.背景介紹

 

近年來，為了觀察深空或研究遠星的精確位置，對太空望遠鏡的分辨率要求越來越高。通過增加主鏡的孔徑直徑是實現高分辨率的主要途徑之一，但是由于衛星受到嚴格的質量限制，太空望遠鏡直徑增加勢必會導致衛星質量增加，因此大孔徑太空望遠鏡輕量化勢在必行。

 

CFRP（碳纖維增強塑料）已經廣泛用于衛星和機載任務傳感器的主要結構，同時由于CFRP具有質量輕、低熱膨脹、高剛度和高導熱性等優異特定，因此也成為太空望遠鏡有前途的主鏡材料。

 

CFRP材質太空望遠鏡往往由CFRP面板和CFRP蜂窩芯結構組成，其中碳纖維選用高模量碳纖維，而樹脂基體則以氰酸酯樹脂居多。高模量碳纖維熱膨脹系數極低，通過與樹脂復合后可保證結構件近乎零熱膨脹系數。

 

此外，在軌道交變溫度環境中尺寸穩定性也是太空望遠鏡結構設計中的主要問題。而選擇氰酸酯作為基體原因在于與環氧樹脂相比，其吸濕性低。圖1顯示了CFRP材質的直徑為150 mm的球面鏡。

 

 

 

2.1 項目來源

 

Japan Astrometry Satellite Mission for Infrared Exploration（簡稱：JASMINE）即日本紅外探測天體測量衛星任務（圖2），該項目主要目標是闡明銀河系凸起的結構形成模式以及銀河中心周圍的恒星形成史。

 

小型JASMINE衛星將在紅外Hw波段（1.7μm）內觀測銀河系中心周圍區域的恒星，確定銀河系中心周圍數百萬顆恒星的位置和視差，并須精確到10微弧秒，這些恒星的亮度比Hw=11.5 mag還高。

 

圖2 日本紅外探測天體測量衛星任務

 

這次測量將計劃使用一個主鏡直徑為300毫米的單光束望遠鏡（圖3）。主鏡的形狀精度要求為λ/20，表面粗糙度要求為λ/50，表面粗糙度要求為0.8μm PV，表面粗糙度要求為30nm PV，并在低地球軌道的工作溫度210k下保持這些形狀。

 

 

JASMINE的基本設計主要由日本國立天文臺（NAOJ）的JASMINE項目辦公室與JAXA、京都大學和其他機構聯合進行，針對JASMINE望遠鏡的主鏡需求，采用CFRP材料進行了太空望遠鏡設計。

 

 

CFRP反射鏡由具有CFRP表面蒙皮和CFRP柔性芯的夾層板組成。其中蒙皮結構中碳纖維選用了日本石墨纖維公司YSH-60A型碳纖維（拉伸強度3830MPa、拉伸模量630GPa），NM31型低濕膨脹氰酸酯也是由日本石墨公司提供。

 

柔性芯蜂窩夾層板結構中碳纖維選用了日本石墨纖維公司的YSH-50A型高模量碳纖維（拉伸強度3830MPa、拉伸模量520GPa），而氰酸酯樹脂是美國TenCate公司生產RS-3型樹脂，值得注意的是RS-3氰酸酯基復合材料也被用于美國航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的中吊桿遮陽板部署結構。

 

具體加工流程：將單向預浸料層壓成16層的準各向同性堆疊，然后在高壓釜中預固化；夾芯結構由平布預浸料單片制成，纖維方向與芯高方向成45°，選擇撓性芯便于形成彎曲形狀；使用環氧樹脂薄膜粘合劑將預固化的蒙皮面板和芯材粘合在一起（詳細流程示意圖如圖4所示）。

 

 

在對結構進行測試時主要通過使用白光干涉儀的3D光學輪廓儀（New View 7300，Zygo）觀察反射鏡的表面輪廓（圖5），重點研究了低溫環境中CFRP反射鏡表面精度的變化規律（圖6）。

 

 

結果顯示，制造的反射鏡經優化工藝條件后，形狀精度提高到0.2μmRMS，表面粗糙度達到6.2 nm RMS；在JASMINE望遠鏡的工作溫度210 K下，溫度引起的圖形誤差為700 nm PV和115 nm RMS。

 

結合衛星從地面到軌道的溫度變化，由于水分在軌道上的解吸收縮而引起的變形將估計為比熱變形大幾倍。未來工作重點在于：通過預浸料和工藝優化進一步提高CFRP反射鏡的形狀精度和熱穩定性。