天天时讯：中国航天什么时候开始用的先进碳纤维材料？碳纤维究竟用来干啥

比钢铁还结实，比铝合金还轻便，碳纤维复合材料以其优异的性能，在航空航天领域广泛使用，大放异彩。前面我们介绍了碳纤维复合材料在飞机上的应用，这次我们再介绍一下碳纤维在航天领域的应用。

大家都知道，碳纤维生产技术是美国和日本重点防范的一种先进技术，美日等国不仅限制碳纤维生产技术的出口，更是限制先进性能的碳纤维材料出口中国。面对层层封锁，中国能否破局呢？作为中国独立自主发展的高科技典型，中国的航天产业什么时候开始使用碳纤维复合材料的呢？

(相关资料图)

中国航天使用碳纤维复合材料并不晚，最早是1984年，首先在国产卫星上使用了碳纤维复合材料结构件，从此开创了中国航天使用碳纤维复合材料的时代，后面应用程度越来越高，技术越来越先进。那位朋友可能会说了，不是说美国和日本禁止向中国销售碳纤维复合材料吗？中国怎么在1984年就开始使用碳纤维复合材料了呢？

其实，美日限制销售的是最先进的碳纤维复合材料，而且严格限制销售是近几年的事情。早先中国卫星上使用的并不是最先进的碳纤维复合材料，一些低端的碳纤维复合材料还是可以购买到的。低端碳纤维虽然不能让卫星获得最优的性能，不适合制造太重要的部件，但也比使用传统金属合金更节省重量。碳纤维复合材料在卫星上使用，为中国更大范围使用碳纤维复合材料奠定了良好的基础。

随着碳纤维生产技术的提高，价格越来越低，碳纤维给卫星带来了巨大的效益。要知道，碳纤维本身的密度不仅是钢铁的五分之一，甚至也只有铝合金的一半多一点，在卫星上大量使用碳纤维复合材料，可以大幅度降低卫星自身的重量，让卫星可以携带更多的燃料，大大延长卫星的使用寿命，或者携带更多的仪器设备，让卫星可以开展更多的工作。

早前的卫星自身干重占比达到16%以上，随着大量碳纤维复合材料的使用，卫星干重占比只有6%左右，大大降低了卫星的干重，把节省出来的重量来做更有意义的事情。至于成本问题，完全可以通过降低重量来节约成本。要知道往太空发射物体，一千克的成本能达到几万块钱，就拿铝合金和碳纤维来比，使用碳纤维能节约40%的重量，十公斤就能节约出4公斤的重量来，四公斤节约出来的发射费用，远远高于十公斤碳纤维复合材料本身的成本。按现在碳纤维复合材料的价格，一公斤航天级别的高性能碳纤维也不过几百美元，用它来降低重量非常划算。二十多年前的价格肯定要高很多，但相对于节约出来的发射费用，也是很划算的。

所以，中国在卫星上使用碳纤维复合材料比例还是很高的，并不见得比发达国家少多少。甚至探月卫星嫦娥一号的燃料贮箱都是用碳纤维复合材料来制造，后面的嫦娥工程就更不必说了。

虽然碳纤维用到卫星上是非常普遍的事情，但是用到火箭上却并不见得那么轻松。考虑到碳纤维复合材料高昂的价格，火箭上大规模使用碳纤维复合材料，直到今天也是非常奢侈的事情。大家已经直到美国SpaceX公司的星舰，早先选择的是碳纤维复合材料设计方案，现在已经替换成了不锈钢外壳。中国的长征11号、印度的固体火箭，直到今天都在用不锈钢外壳。前几年只有美国、日本、欧空局的固体火箭助推器使用碳纤维复合材料外壳，中国刚面世的力箭一号才开创了中国火箭大规模使用碳纤维复合材料的年代。液体火箭燃料贮箱，更是几乎没有使用碳纤维复合材料的。

其最主要的原因，还是因为碳纤维复合材料的成本太高了，大范围使用这种材料会明显增加火箭的发射成本，得不偿失。当然并不是说火箭使用碳纤维复合材料一定不划算，也不是说以后永远不能大范围使用。只要使用的地方得当，火箭上用碳纤维复合材料还是很划算的。

一般的火箭都是多级火箭，越上面的部位，越应该轻便，因为越上面的火箭自身重量带来的发射成本越高。对于最上面的火箭来说，自身减少多少重量，就可以直接增加多少重量的载荷。就像前面说的，卫星每公斤的发射成本是几万块钱，最上面的火箭自身重量减少一公斤，就相当于节省了几万元的发射成本，这还是很划算的，别说几万块钱，就算是每公斤节约几千块钱发射成本，也是很划算的。

这一点从印度的最新固体火箭就能看出来，虽然印度固体火箭一直在用钢铁的外壳，给人的感觉很落后，完全没有使用碳纤维复合材料的能力。但是印度最新的固体火箭SSLV，虽然主要结构还是钢铁外壳，但是第三级固体火箭使用的却是碳纤维复合材料。从中可以看出，印度并不是没有能力使用碳纤维复合材料，而是从成本上综合考虑的，第三级火箭使用碳纤维复合材料代替钢铁显然很划算。另外，还需要明确一点，虽然中国从美国日本购买先进碳纤维复合材料很困难，但印度购买并不困难。

比较神奇的是，SSLV的第四级火箭反而没用碳纤维复合材料，因为那是液体发动机，用碳纤维复合材料制造液体燃料贮箱要比制造固体火箭外壳困难多了。另外，固体火箭外壳，目前只有两个选项，要么是钢铁，要么是碳纤维复合材料，使用铝合金是不行的，因为结构强度不行。面对这两个选项，只要碳纤维复合材料的成本不断下降，钢铁的成本优势就越来越低。

相信未来中国的固体火箭会全面使用碳纤维复合材料，力箭一号只是开了个头。

液体燃料贮箱，可以是钢铁、铝合金或者碳纤维复合材料，其中碳纤维复合材料相对于铝合金来说节约的重量并不多，对于火箭下部来说，把铝合金换成碳纤维并不划算，因为发射成本下降有限，但材料成本上升太多。所以，全世界的液体火箭极少用碳纤维复合材料来制造贮箱的。另外碳纤维复合材料制造燃料贮箱还有很多技术难题存在，尤其是大体积的燃料贮箱，需要不算验证改进才能大规模投入使用。当然，随着碳纤维复合材料成本的下降和贮箱生产技术的不断改良，未来碳纤维复合材料液体火箭也会大行其道。

除了燃料贮箱和固体火箭外壳，其实火箭上还有很多地方在用碳纤维复合材料，而且一些部位很早以前就在用了。比如用来连接卫星的支架，这是在火箭的最上部，按照刚刚介绍的规律，越靠近上部的地方使用碳纤维复合材料越划算。中国早期的火箭长征二号、长征三号都早早就用上碳纤维复合材料了。另外，中国最新的火箭型号，往往都用上了碳纤维复合材料的整流罩，这都是碳纤维复合材料在中国航天大量应用的案例。

中国最近两年已经彻底攻克高性能航天用碳纤维复合材料生产工艺了，而且生产成本越来越低，中国航天使用的碳纤维复合材料已经在进行国产化替代了，不排除未来实现全国产化。面对封锁，中国航天也好、中国材料也罢，都将发挥自己的积极向上的精神，摆脱依赖独立自主。

下边再简单补充一下，碳纤维复合材料在卫星上应用，一些难以替代的优势。前面我们主要说卫星上如果用碳纤维复合材料，可以给卫星减重，从发射成本上是划算的。但对于有些卫星或航天器部件来说，碳纤维复合材料几乎是不可替代的。

比如对于空间照相机来说，需要一个非常稳定的结构，不能随意变形，否则成像就会大打折扣。面对非常严酷复杂的空间环境，经常骤冷骤热，对于绝大多数材料来说会有明显的热胀冷缩，这些材料如果用来做相机支撑结构的话，就会带来相机成像不稳定之类的问题。碳纤维复合材料膨胀系数非常小，甚至可以实现零膨胀，这样的材料用来做相机内部各光学器件之间的支撑材料非常好，能最大程度减少环境温度变化对成像效果的影响，这些支撑件也叫精密结构支撑件。将来中国的巡天空间望远镜，肯定会使用大量这样的精密结构支撑件，从而保障观测效果。当然现在在天上飞的大量遥感卫星肯定也在大量使用这样的结构件。

除此以外，最新的太阳能电池板，往往都是柔软可折叠的，就像中国空间站的太阳能电池板那样。这样的电池板往往会用到碳纤维复合材料，质量轻、强度高而且还很柔软，特别方便。