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    央視報道紡織科技推動力,東華大學教授全面解讀
    時間:2024-03-04 11:13:39    來源:中國產業用紡織品行業協會  

    2月22日,長征八號遙三運載火箭運抵中國文昌航天發射場,將用于執行探月工程四期鵲橋二號中繼星發射任務。目前,火箭在發射場陸續開展各項總裝測試工作。此前,在今年1月和2月初,嫦娥六號任務探測器、鵲橋二號衛星已經先期抵達發射場,也都正在進行發射前各項測試準備工作。


    按計劃,今年上半年,我國將先后發射鵲橋二號和嫦娥六號。嫦娥六號,就是要發射一個探測器到月球背面去采集月壤,然后帶回地球來研究。那鵲橋二號起什么作用呢?因為月球背面和地球之間不能直接通信,所以要先發射鵲橋二號這顆中繼衛星,它可以為將來去月球背面采樣的嫦娥六號探測器和地面站之間的信號聯絡搭起“鵲橋”。


    鵲橋“金色大傘”

    柔軟的星載天線金屬網


    其實五年多前,已經有一顆鵲橋中繼衛星為嫦娥四號的月球背面著陸、探測任務提供了通信中繼服務。鵲橋顯著的特征就是擁有這樣一把“金色大傘”,叫做星載大型可展開天線。通過這把“金色大傘”,實現了地球與月球背面的通信。在上海東華大學的實驗室里就有鵲橋中繼衛星傘狀天線的縮比樣,這把金色大傘竟是用金屬編織而成的。


    在東華大學紡織學院的實驗室里,有這樣一把“大傘”,傘骨上鋪了一層薄薄的黃色金屬網。專家介紹,金屬網是星載可展開天線反射電磁波的關鍵部件,在發射進入軌道過程中能夠展開,其能展開反射面的關鍵就在經編編織技術。


    東華大學教授、教育部產業用紡織品工程研究中心主任陳南梁介紹,火箭發射上去的時候,它是縮在火箭里面。到了軌道以后,它通過展開機構把衛星反射面慢慢展開成一個網狀天線,所以我們稱為可展開天線。它是柔性的,所以它可以展開,所以我們要通過紡織的編織技術來形成這么一個布面。星載可展開天線上的金屬網原料選用的是金屬鉬絲,為了增加其性能,專家在極細的鉬絲上又做了更多的鍍層處理和加工。


    陳南梁介紹說,我們采用的原料稱為鍍金鉬絲,就是在鉬絲的基礎上表面鍍了金,因為金的反射率是非常好的。金屬絲特別細,編織需要具備一些關鍵技術。首先鉬絲非常細,大概15到30微米,還不到頭發絲直徑的四分之一。所以拉制本身具有很大的難度,另外表面還有鍍金。鍍金以后要保持一定的牢度,我們摻雜了一些有機元素,一方面提高了金屬原材料的韌性,另外也讓它表面具有更好的親和力。所以,一些工藝的改善使鉬絲鍍金以后在編織過程當中非常堅固。編織過程是相對非常精致和復雜的,首先我們要進行并線。因為它太細了 ,我們發明了一種并線加捻技術,金屬絲三根并在一起,結構非常穩定。


    創新編織技術

    讓衛星天線金屬網更大更輕


    專家介紹,金屬鉬絲非常柔軟,單股鉬絲因為太細而強力不夠,所以通常是用三四根鉬絲合在一起來編織金屬網。不過現在,在衛星大型化的趨勢下,天線反射面越做越大,這有利于天地之間的通信。但面積大了,重量也會更重。怎么能讓天線又大又輕呢?研究團隊創新編織技術,現在可以用單股鉬絲編織成更大更輕的金屬網,最大的差不多有籃球場那么大。


    從2017年開始,東華大學產業用紡織柔性結構材料創新團隊開始攻關金屬鉬絲單絲經編技術。經過5年的努力,創新研發了“微張力”經編技術及裝備,極大減輕了新型天線反射面的重量。東華大學紡織學院教授蔣金華介紹,它跟原來相比,可能重量輕1/3或者1/4,成本可能就降得更低,重量也降得很低。所以,現在最輕的網一個平方米可能克重不到20克。


    陸地探測四號01星天線接近籃球場大小


    2023年8月發射的陸地探測四號01星,其反射面就是采用極細金屬鉬絲單絲進行編織的,它的環形大天線展開面積接近一個籃球場場地的面積,極大提高了高軌衛星可展開天線反射面面積和通訊能力。


    蔣金華說,因為未來天線可能會越做越大,可能達到百米級或者公里級,都要求單絲的網格結構能滿足超大型的衛星天線應用?,F在通訊越來越頻繁,要求數據通量越來越大。如果口徑太小的話,就滿足不了頻繁的高通量數據傳輸?,F在我們不光在做鉬絲,其它的原料我們也在做,也在做一些嘗試應用。


    天舟“翅膀” 編織出的“網球拍”


    1月17日,天舟七號貨運飛船為空間站送去了一批生活物資和實驗器材。原來天舟貨運飛船的太陽翼基板竟然也是編織出來的,其玻璃纖維網狀結構,看上去就像一個網球拍。


    據介紹,天舟貨運飛船采用的是半剛性太陽翼,這種太陽翼的邊框為碳纖維,中間是玻璃纖維網組成的網面,類似一個網球拍,太陽電池片就鉤掛于玻璃纖維網上。這種玻璃纖維網狀結構,具備了輕量化的特點,而且對低軌空間環境中的原子氧、等離子體有更強的防護性。


    陳南梁介紹,空間有大量的原子氧存在,氧化能力非常強,一般有機高分子材料被氧化得非常厲害,所以要選擇一種抗氧化能力非常高的材料,我們就選擇了無機材料玻璃纖維。玻璃纖維擁有抗氧化、重量輕等優點。但想用玻璃纖維編織成網,難度非常大。玻璃纖維也存在一個非常大的弱點,它的編織性能就非常差,因為它非常脆。紡織材料跟纖維的細度是密切相關的,纖維越細,柔軟性就非常強。通過并股加捻以后,它變成一個非常粗的原材料,可以通過編織來達到這樣一個目標。它還有一個好處,輕,都是網眼,把太陽能電池片鉤掛在上面。玻璃纖維涂上樹脂 更耐空間環境玻璃纖維在編織成太陽能帆板的基板后,還會涂上樹脂,以提升其性能。

    蔣金華介紹,涂樹脂主要是讓表面更平整,也可以起到保護作用。因為像有機硅這一類樹脂,耐空間環境更好,而且穩定性還有耐磨性也可以提高,整體性能可以大大提高。


    你所不知道的“紡織”

    還能做這些


    新材料運用、新編織工藝,讓紡織這個詞不止局限于服裝的概念。像剛才提到的“星載天線金屬網”,已經在鵲橋中繼衛星、北斗導航衛星、移動通信衛星等多種衛星上得到應用。紡織,不僅在航天領域的應用越來越廣,在大飛機制造甚至在生物應用領域也大有可為。


    陳南梁介紹,紡織是一種材料,可能是一種特殊性的材料,比如說航天。航天領域,比如說可展開的天線,它要大型化。鋼材是硬性材料,沒辦法做這么大,運載也沒法運載。所以需要一種柔軟的東西折疊起來,然后到了使用的場景展開,只有紡織品能夠做成這種柔軟的東西。大型可展開天線主要是為了增強高性能衛星和地面數據的交流,主要應用在一些通信衛星、導航衛星,在北斗也有用。在通訊里面有天通衛星,也是用了反射面的天線。衛星和我們的手機可以通訊,這個天線是起到了非常決定性的作用。生物應用類 臟器血管補片東華大學教授 教育部產業用紡織品工程研究中心主任 陳南梁:紡織還有很多的應用領域可以去拓展,比如:生物醫用領域。人體的臟器、血管、補片,這些東西都是跟紡織技術、紡織產品密切相關。


    "現在C919已經用上我們國家的碳纖維織物了,C929的用量會更大。航天領域也很多,用碳纖維材料做成的這種剛性材料已經非常普遍了。而柔性紡織材料的應用現在才剛剛開始,所以我們講紡織科技也是有非常大的前景。"陳南梁說。

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