航空航天·“丝线造火箭”上热搜！揭秘航天酷炫黑材料--碳纤维的魅力

Part 1

快舟11号：碳纤维复合材料的应用典范

“快舟11号”是中国航天科工集团有限公司研发的一款固体运载火箭，其成功发射不仅展示了我国在运载火箭领域的技术实力，更是碳纤维复合材料应用的一个典范。

快舟十一号全箭采用碳纤维复合材料，起飞重量78吨，箭体直径2.2米，采用车载移动发射，具备多星部署能力，能够适应多样化的商业发射任务。

Part 2  
 

碳纤维复合材料在航天器结构中的应用

航天飞行器的重量每减少1公斤，可使运载火箭减轻500公斤，因此碳纤维复合材料成为实现火箭结构轻量化的关键材料。目前火箭飞行维持器的主要结构如翅片筒、鼻锥、机身等均可采用碳纤维复合材料(CFRP)来降低重量，使火箭在质量上比铝合金材料减少10% - 25%。

碳纤维复合材料在运载火箭上的应用同样具有重要意义。火箭的结构轻量化是提高运载能力的关键，而碳纤维复合材料的使用正好满足了这一需求。Neutron号火箭是全球第一个采用碳纤维复合材料结构的大型运载火箭。其结构由一种新的、特殊配方的碳纤维复合材料组成，具有重量轻、强度高的特点，能够承受发射和重返大气层时的巨大热量和力量。这种设计不仅提高了火箭的性能，还降低了制造和发射的成本。

碳纤维复合材料还可用于制造固体发动机壳体结构、箭体整流罩、仪器舱、级间段、发动机喷管喉衬、卫星支架、低温贮箱等部件。

例如，日本的M5火箭、法国的阿里安娜2型火箭、欧洲的织女星运载火箭以及俄罗斯的Proton M火箭都采用了碳纤维复合材料，以实现火箭的轻量化和高强度。美国的大力神4运载火箭也采用了碳纤维IM7/8552复合材料，进一步提升了火箭的性能。

据统计，导弹固体火箭发动机第三级结构质量每减少1kg，可增加有效射程 16km，因此自20世纪80年代以来，多种战术导弹的固体发动机壳体等结构开始使用复合材料，如美国新一代空面巡航导弹 ACMI58-JASSM为了大幅度地降低成本、减轻弹体重量，不仅弹翼、尾翼、进气道采用复合材料，整个弹身全部舱段都采用了碳纤维复合材料，全弹减重了30%，成本降低50%。

我国研制CFRP壳体也取得了长足进步，第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级，并于2003年9月飞行成功，实现了CFRP壳体的历史性跨越。

2023年我国力箭一号发射，500公里太阳同步轨道运力1.5吨，起飞重量135吨，运载系数大概是1.1%，力箭一号选用了碳纤维复合材料外壳。标志着中国的碳纤维生产技术不断提高，最终攻克了T700、T800高性能碳纤维生产技术。

发动机壳体是碳纤维复合材料在运载火箭应用的典型代表。当发动机运转工作时，壳体除了承受来自内外部的压力外，还会面临轴压、弯曲、扭转及横剪等外部载荷，因此发动机壳体所用的碳纤维大多为强度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高强中模碳纤维。这种高强度、高模量的特性，使其成为发动机壳体的理想材料。

我国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代。“东方红-2”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型SPTM - 14发动机与长二捆火箭配套，标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后，EPKM - 17上面级发动机壳体与长二捆大推力火箭配套，成功将卫星送入太空。

快舟十一号火箭的发动机壳体也是由碳纤维复合材料制成的。其制造公司江北公司研发中心副主任尹建华表示，碳纤维材料在承受极端载荷时，表现出了惊人的强度。实验结果证实，高强度钢的受力为1705兆帕，就是得用5.2吨的力才能把这个样品拉断，而碳纤维的承压强度达到2630兆帕。

2022年，由我国自主研制的目前世界上推力最大、可工程化应用的整体式固体火箭发动机在航天科技集团四院试车成功。该发动机直径3.5米，推力达500吨，采用高性能纤维复合材料壳体、高装填整体浇注成型燃烧室、超大尺寸喷管等多项先进技术，发动机综合性能达到世界领先水平。试验的成功，标志着我国固体运载能力实现大幅提升。

碳纤维复合材料在火箭发动机喷管的应用中也展现出了其独特的优势。固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.0~4.5马赫的超音速喷出，喷管承受3500℃高温、5~15MPa的压力和高温冲刷。

碳纤维复合材料喷管不仅具有高强度和耐高温的特性，还能够承受高速气流。例如，我国研制的C/CFRP喷管在1989年点火成功，显示出优异的综合性能。美国的民兵-III导弹的第三级火箭喷管喉衬采用了碳纤维复合材料，满足了高温高压环境下的工作需求。

• 在火箭整流罩中的应用

碳纤维复合材料在火箭整流罩的应用中也取得了显著的进展。例如，天兵科技的大型液体运载火箭天龙三号的整流罩采用了全碳纤维复合材料成型，成为中国商业航天最大的整流罩。这种设计不仅提高了整流罩的性能，还降低了制造成本，提高了火箭的运载效率。

Part 3

卫星领域的应用

卫星的减重对于提高其性能和任务能力具有重要意义。在卫星制造领域，碳纤维复合材料同样发挥着重要作用。由于其密度小、强度高、刚度大等特性，碳纤维复合材料常被用于人造卫星天线罩、太阳能电池板和天线桁架的制造。其优良的抗冲击性、断裂韧性和耐高温性，使得卫星在面对外界压力时能够保持稳定性，延长使用寿命。此外，碳纤维的导电性也使得天线罩的透波率非常高，提高了卫星的通信能力。

美国康维尔公司为双元“OV - I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%。美国“ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷，比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。

在国内，CFRP也已作为卫星的主要承力部件，为中国地球资源卫星1号、风云二号气象卫星提供支撑。我国 2011 年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分定向天线展开臂，由哈尔滨玻璃钢研究院研发的 CFRP 复材制成，总重量仅 500 余克，较使用铝合金材质减轻近 300 克，但承重能力毫不逊色。

Part 4

在火星探测器中的应用

在深空探测领域，碳纤维复合材料也展现出了其独特的优势。例如，我国的“天问一号”火星探测器中应用了碳纤维复合材料，在减轻重量的同时保证了结构的稳定性和可靠性。碳纤维增强的环氧基形状记忆聚合物复合材料可应用于火星探测任务，可在有效减轻载荷的同时实现自主变形，极大地提高结构的智能化水平，将推动我国深空探测工程的技术革新。

未来，相关技术有望应用于我国空间站建设、探月工程、载人登月、火星探测、木星探测、小行星探测、冰巨星探测等重大航天工程领域。

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其他应用

商业太空时代追求更多的卫星和空间站，以及如小行星采矿、太空制造和外星定居点等新型方向探索。太空飞行器回收后重复发射可节省大量成本，除削减成本外，运载火箭的另一个关键目标是增加有效载荷。与传统金属油箱相比，碳纤维增强聚合物(CFRP)油箱可以减轻20 - 40%的重量，同时满足重复使用的要求。

碳纤维还可以用于制造航空电子设备，如雷达天线、通信天线等。碳纤维具有良好的可塑性，可以增强电磁性能和机械性能，并提高电子设备的性能和可靠性。

• 导弹弹头的应用

洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂，防热效果好，且加强了导弹的突防和生存能力。东华大学潘鼎教授主持的“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”国家级重大军工科研项目，用国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维，解决了 DF - 31 导弹的定型难题。

美国GE公司为“阿特拉斯”导弹设计的高2.34米的联接器，除口盖之外全部采用碳纤维环氧树脂复合材料，比铝合金减重44%。

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我国主要的高性能碳纤维供应商

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结语

随着碳纤维复合材料技术的不断进步，其在航天领域的应用前景将更加广阔。未来，碳纤维复合材料将不仅用于火箭和卫星的结构制造，还将在深空探测、载人航天等领域发挥更大的作用。例如，碳纤维复合材料的轻量化特性将使火箭的有效载荷能力得到进一步提升，降低发射成本，提高航天任务的经济效益。

此外，碳纤维复合材料的高强度和耐高温特性也将使其在火箭发动机和喷管的制造中发挥更大的作用。随着碳纤维复合材料制造技术的不断优化，其生产成本将进一步降低，使得碳纤维复合材料在航天领域的应用更加广泛和经济。