超薄机织布可在卫星太阳能电池阵列制造中节省 90% 的资源

一系列卫星已准备好部署，这些卫星被安置在火箭的有效载荷舱内。这些卫星配备了快速制造的复合可展开太阳能电池阵列。来源 |Kerberos 工程

近年来，由于私营航天公司和卫星制造商在提高太空可及性竞赛中的出现，全球对为空间应用量身定制的复合材料的需求显着增加。这一趋势促使卫星生产商对采购高性能复合卫星部件的兴趣日益浓厚，这些部件可以根据特定的任务要求进行定制，并在较短的时间内制造。因此，这些制造商正在重新评估其生产方法和技术，以满足这一需求。

Kerberos Engineering（西班牙穆尔西亚）在太空级复合卫星子系统结构的开发中占有重要地位。该公司的专长在于可部署的卫星太阳能电池阵列结构，为此，它集成了 TeXtreme（瑞典布罗斯）提供的 0/90 编织散布丝束织物，用于生产这些碳纤维增强聚合物 （CFRP） 组件。与传统技术相比，材料的战略性选择使制造太阳能电池阵列所需的资源减少了 90%。这种优化改善了技术访问，提高了卫星机载资源效率，并为行业绩效和可持续性做出了重大贡献。

设计可展开的太阳能电池阵列 Kerberos Engineering的创始人兼所有者Emilio Lozano博士解释说：“可展开太阳能电池阵列的主要系统设计要求是重量轻和高刚度特性，以最大限度地降低发射阶段的成本，并减少卫星定位操作期间的角动量，以定向到地面链路并保持其轨道轨迹。“这就要求使用高模量的主要材料，这些材料可以制造成薄部件，以满足这些特定需求。除此之外，系统设计和材料选择应根据空间环境兼容性和高效生产进行微调，以符合市场需求。

描述在轨道上部署太阳能电池阵列的渲染图突出了正在开发的太阳能电池阵列系统的运行布局。来源 |Kerberos 工程

“通过使用 TeXtreme 0/90 材料和特定的灌注技术，与其他供应商相比，我们减少了 90% 的太空级卫星太阳能电池阵列生产资源，”Lozano 强调说。“最显着的好处是这种材料显着减少了劳动力需求。传统的单向 [UD] 预浸料材料需要劳动密集型、细致的逐层应用。每一层都必须精确对齐并小心处理，以避免磨损和分离，从而导致生产时间延长和劳动力成本增加。

他继续说道：“相比之下，TeXtreme 0/90 凭借其编织结构和与我们内部开发的真空辅助树脂传递模塑 [VARTM] 变体的兼容性简化了这一过程。“该技术允许快速、均匀地注入树脂，从而减少整体劳动投入并加快生产速度，最高可达 90%。使用 TeXtreme 0/90 实现的成本效率也非常出色。使用 TeXtreme 0/90，简化的 VARTM 工艺可最大限度地降低处理复杂性，并减少对多个固化阶段的需求。均匀的树脂分布和受控的固化环境进一步降低了劳动力和能源支出，使生产过程更具竞争力。

“与传统的UD预浸料相比，材料效率是TeXtreme 0/90的另一个关键优势，”Lozano补充道。“这种机织织物最大限度地减少了磨损和纤维分离等问题，这些问题在UD预浸料中很常见，导致材料浪费。TeXtreme 的 0/90 配置确保了结构完整性，并减少了为实现所需性能而过度分层的需求。这导致了一种轻质、高强度的复合材料，对于卫星应用至关重要。通过使用更少的层数和优化材料使用，TeXtreme 0/90不仅满足了空间环境的严格性能要求，而且还大大减少了材料浪费，进一步降低了生产成本和环境影响。

优化的机织面料，内部 VARTM Kerberos Engineering 的太阳能电池阵列专为特定应用而设计，尺寸约为 500 × 700 毫米，由多达 7 个面板组成。这些面板的结构根据应用要求进行了优化，例如，夹层结构面板由三层组成，而整体结构由七层 TeXtreme 机织织物组成。

0/90 材料包括 20 毫米宽的 UD 铺展丝束织物带，具有垂直的经纬纱。干织物重 42 克/平方米，纤维丝束之间有 0.3 毫米的间隙，专为树脂灌注工艺量身定制。

Lozano强调说：“TeXtreme的0/90编织结构的独特之处在于，它能够通过交错来平衡每一层，使三层部分能够在130克/平方米的时间内达到所需的性能，从而形成一个全平衡的轻质层压板。“这与典型的预浸料层压板形成鲜明对比，后者可能会超过500克/平方米才能达到相同的结果。”

CFRP 可部署太阳能电池阵列夹芯板固化并准备安装光伏电池。来源 |Kerberos 工程

在生产过程中，技术人员将层放在模具上，然后在真空袋下将其拆包以制造预坯，然后将其转移到 VARTM。为了确保干燥的 TeXtreme 0/90 彻底润湿，使用了 Huntsman（美国德克萨斯州伍德兰兹）的低粘度树脂，以促进结构完整性和高速生产。在真空、加热和压力下加工，树脂分布均匀，形成薄而硬的面板结构。

“薄而坚固的结构允许构建具有不同纤维角度的层压板，而不会显着增加厚度，”Lozano解释说，“而垂直和交错的配置提供了尺寸稳定性，最大限度地减少了零件加工过程中的翘曲。此外，铺展丝束纤维结构可实现超过 60% 的高纤维体积分数 [FVF]，使机械性能与 UD 预浸料解决方案保持一致。撒布丝束的高渗透性使其能够在大面积的表面区域进行快速彻底的润湿，非常适合我们敏捷的生产需求。精心设计的间隙可作为有效通道，实现适当的树脂饱和度，在保持机械性能的同时，加速一致的润湿。

在 VARTM 期间进行受控固化，材料温度逐渐升高至 150°C 并持续 6 小时，以确保最佳材料特性。后处理包括加工和集成嵌件，以便为面板的最终应用做好准备。太阳能电池板设计有外露面和涂层面，以将太阳能电池与其基材绝缘。硅基胶粘剂用于将太阳能电池粘合到太阳能电池板上，提供安全可靠的连接，在面向阳光和面向空间的位置之间转换时，可以应对显着的温度波动。 TeXtreme 0/90 是一种 20 毫米宽的单向 （UD） 展开丝束织物，经纱和纬纱带垂直对齐。干织物的重量为 42 克/平方米，纤维丝束之间有 0.3 毫米的间隙，专为树脂灌注工艺而设计。来源 |TeXtreme

根据 TeXtreme 的联合创始人兼营销和销售副总裁 Andreas Martsman 的说法，TeXtreme 0/90 的生产需要机械和化学程序的复杂组合。Martsman 强调，专有领域在于将铺展丝束纤维编织成极小的面积重量：“先进的织机根据铺展丝束带的特性量身定制，可确保准确对准和最小变形，以保持高模量纤维的性能，而不会影响其编织成织物时的完整性。

Martsman 指出，与使用更窄、更粗的纱线相比，使用散布丝束带不仅可以减轻织物重量，还可以减少纤维起伏。这最大限度地减少了光纤卷曲，并通过实现高 FVF 和直线负载路径提高了机械性能。此外，这种材料已经过优化，以保持平整度并防止边缘折叠。Martsman 解释说：“重点是不断微调和完善工艺的各个方面，以提高产量和质量，从而能够编织出最极端的胶带。

抵抗释气、极端温度和微裂纹 为了保证碳纤维结构在太空中的成功，必须使用高模量纤维来形成具有高比强度、玻璃化转变温度（Tg）、热稳定性和低吸水率。

“在太空真空中，可能会发生分子降解，导致一种称为脱气的现象，这涉及释放被捕获的气体或蒸气分子，例如升华、蒸发和解吸，”Martsman 解释说。“释气会导致质量损失甚至开裂，从而影响材料的性能和任务的成功。因此，航天器中使用的复合材料由蒸汽压极低的材料制成，以最大限度地降低与脱气相关的质量损失的风险。

光伏电池被集成到CFRP可展开太阳能电池阵列中，该太阳能电池阵列设计为可以折叠到卫星主体的一侧。在这个阶段，卫星被固定在有效载荷舱体的部分上，以准备发射。来源 |Kerberos 工程

欧洲脱气标准是航天器的关键考虑因素，因为它会影响安全和环境因素。脱气会导致材料降解、产生太空碎片和污染有效载荷，从而对任务成功和邻近卫星构成风险。遵守这些标准对于任何参与太空任务的公司来说都是必不可少的。材料的脱气行为取决于所使用的特定树脂类型。为了验证产品的结构，TeXtreme 通过脱气测试验证其材料，将固结的材料长时间放置在真空室中，然后对其进行温度循环以观察任何潜在的故障。

Lozano指出：“Kerberos Engineering已经对基于TeXtreme 0/90的整合太阳能电池阵列进行了全面测试，以确保它们能够承受发射和操作环境。“热环境对太空中的太阳能电池阵列构成了重大挑战，因为它们在直接暴露于太阳和寒冷的太空之间移动时会经历快速和高温波动。因此，所使用的材料必须具有合适的 Tg以承受这些条件并防止开裂。

Martsman补充道：“TeXtreme层在提高微裂纹发展的阈值方面发挥着至关重要的作用。当超薄层堆叠在一起时，它们会一起表现，从而降低了纤维分离、微裂纹的萌生和扩展的风险，与传统的厚层相比，这使得结构能够更长时间地保持结构完整性。这使得复合材料结构能够承受接近纤维性能的载荷，导致最初的失效模式是纤维断裂，而不是微裂纹和分层。

材料轻薄，性能在太空中久经考验 Lozano 强调了 TeXtreme 0/90 织物的超薄特性，该织物在复合材料叠层中提供了更高的精度：“最终，目标是提高轻质卫星组件在太空中的坚固性，而符合太空条件的 TeXtreme 0/90 材料为产品在整个任务生命周期内的可靠性提供了保证，因为它在过去已经为多家客户在这种环境中得到了证明。

一个值得注意的例子是美国宇航局的机智火星直升机，这是2021年部署的火星2020任务的一部分的无人机。TeXtreme的材料用于制造其太阳能电池板基板、转子叶片和底座结构。Lozano说：“开发团队面临的主要挑战是找到一种织物，既能提供必要的升力刚度，又能保持轻质以节省能源。“经过广泛的搜索，他们确定 TeXtreme 是一种轻薄、坚硬和超轻的解决方案，并与工程团队合作，针对他们的特定要求优化了一个版本。该团队能够以最佳方式设计机翼，使直升机能够成功地在火星的恶劣条件下航行。多亏了这次经验，我们知道我们可以使用相同的技术。

TeXtreme 0/90 还被用于 30 颗卫星的复合可展开太阳能电池阵列结构，这些卫星的性能与每颗卫星预期的 5 年在轨使用寿命相符。Kerberos Engineering预计将把这项技术集成到另外15颗卫星中，这些卫星计划于2024年发射。Lozano说：“预计明年我们的客户数量将增长50%，这主要归功于我们制造过程中的技术进步。“这种增长不仅证明了我们的制造进步，也证明了我们的材料能够提高卫星和航天器制造商的性能。”