航天领域的尖兵

现代科学技术引人注目的成就莫过于航天工业了。在六、七十年代，超级大国在航天领域的竞争还主要是显示军事实力。今天，航天技术已经进入民用，和亿万普通人的生活密切相关。例如，体育比赛现场转播通过卫星传送，电视台每天发布的天气预报和星云图，也是由气象卫星收集的。自 1957 年第一颗人造卫星升空以来，已有数千颗卫星被送上太空。在这些卫星发射过程中，离不了复合材料的贡献。

卫星是靠火箭送上太空的，要把卫星送到绕地球飞行的轨道，必须达到

7.9 公里/秒，称为第一宇宙速度，小于这个速度就会被拉回地球。在火箭高速上升时，火箭头部会与空气产生剧烈摩擦，产生二三千度的高温。火箭是靠向尾部喷射高温高压气体产生的推力前进的，火箭尾部喷管壁要经受 3000

℃的高温。

火箭是一次性使用的，发射完毕就被丢弃，这样很不经济，因此美国人发明了航天飞机（space shutlle），也译为太空梭、穿梭机。它可以多次往返于地球和太空之间，多次重复使用。航天飞机已经经历了多年载人飞行，在太空中进行科学观察和研究，施放、回收和修复卫星等。航天飞机除了要经受发射时的高温外，回到地球时再入大气层，受地球引力作用，速度越来越快，达到每秒七千米，要和空气产生剧烈摩擦，飞机头部的温度高达五千多度。

因此，火箭和航天飞机的头部必须用耐高温材料来制造，否则在发射时就会被烧毁，或在再入大气层时像陨石一样烧掉。尾部喷管也必须选用耐高温材料，否则火箭会被自己喷出的火焰烧毁。

为了减小空气阻力，火箭和航天飞机头部做成锥状，称鼻锥。鼻锥和尾喷管是用碳——碳复合材料制造的。

碳——碳纤维是把碳纤维织成布、毯或者更复杂的三维或多维织物，浸渍树脂或沥青，再放到高温炉中在惰性气体保护下把碳以外的氢原子、氧原子等原子赶掉，使树脂或沥青炭化，还要在 2500℃处理，形成石墨结构。一

次浸渍和炭化还不能填满炭纤维织物的缝隙，还要反复多次浸渍和炭化，直到织物内部缝隙被填满，达到所需要的密度。

要制造鼻锥和喷管，当然最好是把炭纤维织成鼻锥状和管状，再反复浸渍树脂沥青，并进行炭化，形成一个整体的碳——碳复合材料部件。

为了进一步提高碳——碳复合材料的耐热性，还要在其表面进行炭化硅或氮化硅涂层。

碳——碳复合材料比强度高、耐高温、抗腐蚀、抗热震，特别是耐高温性能无与伦比，它是在 2500℃以上高温烧结而成，所以能耐受二三千度高温，当温度再升高时，在表面起火燃烧，表面的碳纤维分解、氧化或气化带走热量，由于碳——碳复合材料隔热性好，里面丝毫不受影响。这种材料也叫“烧蚀”材料，只要材料有足够厚度，在进入大气层的短暂时间内不完全烧毁，足可以保证飞行的安全。

卫星是乘坐火箭或航天飞机进入太空的，而且卫星都是负有使命才去太空的，执行任务的仪器就装在卫星里，减少卫星自身重量，就能多搭载工作仪器，因此减轻自重就显得非常重要。此外，卫星的制造和发射费用非常昂贵，仅发射费用就以亿元计，从经济效益考虑，也必须减轻自重、加强功能。

例如用于传播电视节目和电话的卫星（称通信卫星），必须像一盏灯固定在某个高处，和地面保持相对静止的状态，用三颗这样的卫星就可以覆盖整个地球。俗话说“高灯远照”，通信卫星挂在距地面 36000 公里的高空，它发射的无线电波可以“照亮”地球三分之一的面积。要使卫星“悬”在高空不动，卫星绕地球飞行的速度必须和地球自转速度相等，这样才能保持和地面相对静止的状态。就是说，卫星飞行和地球自转“同步”，所以也叫同步通信卫星。为了避免卫星互相干扰，两颗卫星之间必须保持 3～5 度，卫星轨道圆周 360 度，因此只能安放 120 颗卫星。现代科学技术的发展，全球性

的信息交流越来越多，卫星通信容量也越来越大。例如 60 年代只有 200 多个

通路，到 80 年代有 6000 多个通路。之所以能够做到这一点，是由于通信设备的改进，火箭推进力的增强；另一方面就是采用复合材料，减轻自重，例如第五颗国际通信卫星，80％用复合材料制成，有 12000 个通信通道。

同步通信卫星在人造卫星中只占很小的比例，仅军用侦察卫星就有一千多颗绕地球飞行，它们都带有遥感技术中最好的仪器。此外，还有地球资源卫星，利用遥感，遥测技术找出地球上的矿藏分布、水源，观察森林、作物生长等。这些卫星都是靠卫星上的仪器工作的，都需要减轻自重，尽可能多搭载工作仪器。

卫星都必须装有天线，以便和地面进行无线联络。卫星上有两个很大的太阳能电池板，上面嵌着非晶硅片，把照射到硅片上的太阳能转变成电能供卫星使用。卫星主体则是一个圆筒，里面装着仪器设备。卫星上的主要结构，就是天线支架、天线反射镜反射面、太阳能电池板、中央圆筒都是由碳纤维增强塑料制造的。

碳纤维是新型复合材料的中坚，是纯粹由碳组成的纤维，由沥青或聚丙烯腈纤维制取。世界上每年由丙烯腈纤维制取的碳纤维超过万吨，由沥青制取的碳纤维达数千吨。

聚丙烯腈是由丙烯腈聚合得到的高分子化合物，纺成丝就是人造羊毛，商品名“腈纶”。聚丙烯纤维产量很大，它的主要用途还是作羊毛代用品。现在工业上已经能够成吨地生产碳纤维，商品炭纤维有多种不同牌号和

规格。有的碳纤维的拉伸强度达到 7GPa，拉断碳纤维比拉断同样粗细的钢丝要多花两三倍的力量。碳纤维的比重早有 1.7 克/立方厘米，不到钢铁（比重7.8）的四分之一，比铝和钴合金也要轻得多。碳纤维和很多高分子材料容易复合，复合后强度像钢材一样高，比铝合金还要轻 30％。像这样轻质、高强的材料，航天航空工业当然格外青睐。