得益于尖端复合材料技术,可修复航天器结构或将很快成为现实。瑞士CompPair公司、CSEM与比利时Com&Sens公司已联合欧洲航天局(ESA),对其自修复碳纤维产品进行改造,以用于太空运输。“卡桑德拉项目”(Composite Autonomous SenSing AnD RepAir的简化缩写)将传感器和加热元件集成到碳纤维复合材料中,使航天器能够自主修复初始阶段的损伤。该项目是ESA“太空运输未来创新研究(FIRST!)”计划的一部分,该计划旨在发掘并测试将惠及欧洲太空运输的创新技术。
碳纤维增强聚合物等复合材料正越来越多地用于航天器结构。它们由聚合物基体与碳或玻璃纤维层增强而成,兼具强度高、重量轻、耐腐蚀等特性。但复合材料也易受损伤——尤其是若需反复往返太空时,小裂缝会随时间恶化。修复不仅成本高昂、耗时费力,还可能削弱结构完整性。
鉴于此,CompPair研发出“自修复技术(HealTech)”——一种可“自我修复”的复合材料。加热材料时,内部的修复剂会被激活并重新流动,修复冲击或应力造成的损伤。研究人员将光纤传感器网络集成到HealTech的树脂浸渍纤维中,制成了复合材料结构原型。传感器可精准定位结构损伤,一旦发现损伤,集成的3D打印铝网格会将材料加热至100-140℃。
研究人员测试了尺寸从2×10厘米到40×40厘米不等的各类材料样本,重点评估材料的损伤监测有效性、均匀加热能力及自修复性能。此外,还开展了热冲击测试,以监测材料对低温燃料箱典型环境的响应。下一阶段测试将涉及把材料适配到更大形状,例如完整的低温燃料箱。
这种材料可减少太空任务产生的浪费,非常适合可重复使用的运载火箭。ESA的Bernard Decotignie表示:“将该技术应用于我们的系统,将为太空运输带来巨大益处,有助于开发可重复使用的太空基础设施,降低任务成本。这充分证明了欧洲创新对航天领域的推动作用。”
CompPair首席技术官Robin Trigueira称:“我对我们能为未来航天器和运载火箭带来的自主性与耐用性优势感到兴奋,这缩小了科幻与现实的差距!该项目是CompPair在航天领域的重要一步,HealTech实现了复合材料健康监测与管理的前所未有的技术进步,清晰展现了可修复复合材料为可重复使用太空结构带来的成本效益潜力。”
CompPair研发主管Cecilia Scazzoli解释道:“我很激动,我们已证明配备健康监测与加热系统的HealTech复合材料具备自主损伤传感、修复能力,且抗微裂纹性能优异。这使其能满足推进剂燃料箱和可重复使用太空结构的严苛要求,为更轻便、更易维护的航天器组件铺平了道路。”