隨著纖維制備技術(shù)的發(fā)展，芳香族聚酰胺纖維、聚芳酯纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維等高性能有機(jī)纖維的綜合性能得到了進(jìn)一步提升。高性能纖維編織繩索具有輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、耐磨、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域成功替代金屬繩索，倍受空間探測(cè)和新型航天器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究人員的青睞。
芳綸( Kevlar) 纖維具有高強(qiáng)度、高模量和耐高溫等一系列優(yōu)異性能。芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料可用于雷達(dá)天線罩、火箭整流罩和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等，在提高性能的同時(shí)有效地降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量[1]。聚芳酯纖維具有優(yōu)異的抗蠕變性能和化學(xué)穩(wěn)定性，曾用于勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車的著陸緩沖氣囊以及好奇號(hào)火星車的著陸制動(dòng)器繩索，未來有望應(yīng)用于火星服、充氣式著陸減速器和居住艙等火星探測(cè)裝備[2]。超高分子量聚乙烯( UHMWPE) 纖維其比強(qiáng)度可達(dá)到370 cN/tex，具有非常優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度，常應(yīng)用于輕便的防彈材料和繩纜。聚酰亞胺( PI) 纖維具有出色的熱穩(wěn)定性、耐輻射和介電絕緣性能，常用于航天器輕質(zhì)隔熱材料、結(jié)構(gòu)材料與輻射防護(hù)材料等。
高性能纖維編織繩索主要采用二維編織技術(shù)，繩索分為管狀編織繩索和帶狀編織繩索，管狀編織繩索又分為中空編織繩索、雙層編織繩索和包芯編織繩索。制備工藝決定了編織繩索是多層次的纖維結(jié)構(gòu)集合體，宏觀上有中空、雙層、包芯和帶狀結(jié)構(gòu)，細(xì)觀上是從纖維單絲、纖維束、編織紗到多樣的編織結(jié)構(gòu)，為滿足特定應(yīng)用提供了靈活的可設(shè)計(jì)性。
編織的繩索作為關(guān)鍵部件在航天器中的應(yīng)用場(chǎng)景主要有3種:空間系繩、桁架式網(wǎng)狀可展開天線和熱刀壓緊釋放裝置。除此之外，還有空間站機(jī)組人員執(zhí)行任務(wù)時(shí)，跑步機(jī)隔振穩(wěn)定系統(tǒng)、臨時(shí)阻力運(yùn)動(dòng)裝置等的阻力繩索和連接返回艙和降落傘的垂掛吊索等。
空間系繩（圖1）是利用幾公里甚至幾百公里長(zhǎng)的繩索，將衛(wèi)星、空間站、飛船等航天器連接在一起構(gòu)成的飛行系統(tǒng)[3]。繩索除需要將銅或鋁嵌入系繩作為導(dǎo)電材料的電動(dòng)力系繩外，大部分系繩由芳綸、超高分子量聚乙烯等高性能纖維材料制成，實(shí)現(xiàn)了系繩質(zhì)量和強(qiáng)度之間的平衡。
圖1 空間系繩
桁架式網(wǎng)狀可展開天線（圖2）的反射面由柔性金屬網(wǎng)和編織繩索相互交織形成的索網(wǎng)構(gòu)成，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了天線口徑和質(zhì)量之間的平衡問題，滿足星載天線輕量化和大型化的需求[4]。
圖2 網(wǎng)狀可展開天線
熱刀壓緊釋放裝置( HDRS)（圖3） 是實(shí)現(xiàn)航天器和附件之間連接，入軌后又按規(guī)定要求解除約束的機(jī)械裝置。熱刀壓緊釋放裝置由編織繩索和陶瓷熱刀組成。熱刀 HDRS 的釋放是航天器在軌的一次性動(dòng)作，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，編織繩索的熔斷溫度和張力是熱刀 HDRS 研制過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前熱刀 HDRS 的繩索材料主要采用 Kevlar纖維[1]。
圖3 熱刀壓緊釋放裝置
由于芳綸、聚芳酯等合成纖維材料固有的粘彈性，合成纖維繩索在載荷作用下表現(xiàn)出明顯的時(shí)間依賴性，如蠕變和應(yīng)力松弛行為。在長(zhǎng)時(shí)間服役過程中，編織繩索在真空、高低溫交變、輻射、原子氧等空間環(huán)境下的蠕變和應(yīng)力松弛行為，成為其發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
聲明：資料來源于網(wǎng)絡(luò)公開資料整理。本文圖文無商用，僅用于科普知識(shí)公益?zhèn)鞑ィ缬星謾?quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除。
參考文獻(xiàn)：
[1]丁許,孫穎,羅敏等.航天器用高性能纖維編織繩索研究進(jìn)展[J].紡織學(xué)報(bào),2021,42(12):180-187.DOI:10.13475/j.fzxb.20200907708.
[2]丁許,孫穎,魏雅斐等.芳綸纖維二維編織繩索的拉伸及應(yīng)力松弛性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2020,38(04):17-24.
[3]孟中杰,黃攀峰,魯迎波等.在軌服務(wù)中空間系繩的應(yīng)用及發(fā)展[J].宇航學(xué)報(bào),2019,40(10):1134-1145.
[4]邢恩振. 空間可展結(jié)構(gòu)中繩索動(dòng)力學(xué)的研究[D].北京理工大學(xué),2015.
