随着航天航空技术的不断发展，具备运送有效载荷、在轨和再入飞行、安全水平着陆滑跑返回地面等融合特点的新型可重复使用飞行器成为研究热点。相比单次使用的运载火箭，空天往返飞行器是一种新型可重复使用的运载器，具有发射周期短、发射成本低、超强机动、灵活进出空间等鲜明特点。可重复使用的飞行器结构设计、材料评估、制造工艺及试验验证等先进技术，是新型空天往返飞行器研制的关键，也是航空航天技术的融合发展方向。

先进树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳性能好及多功能集成等特点，在航空、航天、电子等领域的应用越来越广泛，已经发展成为一类可设计的重要结构材料。在新型空天飞行器结构系统上，由于树脂基复合材料可设计性强、减重效果显著，应用部位由次承力结构向主承力结构逐步增加。此外，复合材料可实现复杂机体结构整体制造，减少连接和装配工作，降低结构件制造成本，提高结构件制造效率。

欧美等国家自上世纪50年代开始，竞相开展这类新型空天飞行器的基础理论、工程研制及飞行试验。以美国国家航空航天局(NASA)为代表的科研机构，系统研究了空天往返飞行器的轻量化结构设计与制造，特别是先进复合材料结构设计、制造及试验技术，并将突破的关键技术用于机体结构的进一步优化设计和制造，推动可重复使用空天往返飞行器结构系统的升级发展。我国在这方面研究起步较晚，正在全面研究飞行器结构设计及制造技术，特别是复合材料结构及制造工艺；目前取得了不错的技术进展，但与国外相比还有较大差距。

本文系统总结了国外空天往返飞行器用先进树脂基复合材料种类、性能及典型结构制造工艺，然后介绍了世界主要国家空天往返飞行器的复合材料结构研制应用进展情况，包括美国X系列飞行器、日本H-Ⅱ轨道验证飞行器(HOPE-X)的复合材料应用情况，最后介绍了飞行器复合材料结构的技术发展趋势。

一、国外空天往返飞行器用先进树脂基复合材料

空天往返飞行器的服役环境比大气层内航空飞机更加苛刻，力热耦合作用会加剧结构和材料的微形变扩展，甚至引发结构失效。飞行器结构材料必须具备密度低，弹性模量高的特性，满足耐高低温交变、辐照、原子氧等太空环境要求及真空质损、可凝挥发物等真空逸气要求；还必须满足耐湿热老化、耐腐蚀、耐损伤疲劳等性能要求。

目前，空天飞行器结构材料主要有金属材料和复合材料两大类。飞行器结构上应用的结构复合材料包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和金属基复合材料，其中纤维增强树脂基复合材料的应用最为广泛。

国外报道中提到的空天飞行器用复合材料，大多数为碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)，部分典型复合材料牌号、玻璃化转变温度、材料力学性能等材料体系信息如表1所示。可见，国外空天往返飞行器用先进树脂基复合材料的增强体包括碳纤维、玻璃纤维，碳纤维是主要增强材料；树脂基体包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂及聚酰亚胺树脂等常用热固性树脂，环氧树脂和双马来酰亚胺树脂是机体结构制造用复合材料的主要树脂基体。

表1国外空天往返飞行器用典型树脂基复合材料信息

T、T碳纤维是日本Toray公司生产的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，T碳纤维的拉伸强度为MPa，拉伸模量GPa，T碳纤维的拉伸强度为MPa，拉伸模量GPa。IM7碳纤维为美国Hexcel公司生产的标准中模碳纤维，拉伸强度为MPa，拉伸模量为GPa；该纤维力学性能与Toray公司生产的T碳纤维相当，是目前报道航空飞行器、空天飞行器轻质复合材料结构制造常用的增强相材料。

环氧树脂是美国Fiberite公司生产的℃高温固化树脂，具有高流动性和良好耐湿热性能，满足NASA对复合材料真空逸气要求。LTM45环氧树脂是美国ACG公司研制的低温固化树脂，可在60℃固化，~℃后固化处理，长期使用温度为℃；其复合材料制备成本低，适用于大尺寸、形状复杂的复合材料构件研制生产。

-2环氧树脂是美国Cytec公司生产的℃高温固化树脂，是一款典型的高韧性树脂，具有良好的耐高低温(~℃)性能，在航空航天领域应用广泛。环氧树脂是美国Hexcel公司生产的低流动性增韧改进环氧树脂，具有高韧性和高损伤容限。

美国Narmco公司设计开发出多种商品化的共聚改性双马来酰亚胺树脂，-3、-4高韧性双马来酰亚胺树脂是典型代表；-4双马来酰亚胺树脂是一种耐湿热、抗冲击、耐高温树脂，拉伸强度达到68.9MPa，断裂伸长率达到2.7%，与AS-4碳纤维和IM-7碳纤维搭配的复合材料在F-22战斗机外蒙皮、框梁及骨架等结构件上大量应用。Cytec公司并购Narmco公司后开发出的双马来酰亚胺树脂，具有近似-4树脂的使用温度，又比-4树脂高出50%的抗损伤能力；其复合材料CAI值为MPa，最高使用温度达℃。

Cytec公司之后开发的双马来酰亚胺树脂具有良好耐高温性能，高温状态性能已接近聚酰亚胺PMR-15；其复合材料湿热性能优于-4，连续工作温度达℃。IM-7/-4、IM-7/系列碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料的耐高温性能、冲击后压缩等性能良好，可满足飞行器机身结构对结构材料韧性和抗冲击性的要求。

机体结构承受温度每提高28℃，可使热防护层厚度减少5.08~6.35mm，因此耐高温复合材料的研制应用显得尤为必要。PETI-5聚酰亚胺树脂是美国NASA兰利研究中心研制的耐高温树脂，具有良好的热稳定性及力学性能；其耐温等级高于双马来酰亚胺树脂，可以减少构件外层热防护系统的用量，从而减少整机质量，保存结构余量。测试IM7/-4和IM7/PETI-5两种复合材料力学性能，结果表明：在54~℃温度范围内IM7/-4复合材料力学性能比IM7/PETI-5略微有优势；IM7/PETI-5准各向同性复合材料层压板的开孔拉伸强度和开孔压缩强度优于IM7/-4。IM7/PETI-5复合材料力学强度在℃开始出现下降，但力学保持率相对较好；一般情况下飞行器在℃温度附近的载荷很低，因此IM7/PETI-5复合材料在℃温度下的剩余强度满足设计要求。

综上，空天往返飞行器结构用先进树脂基复合材料选材考虑树脂基体因素更多，基体性能决定了复合材料主要性能的上限。如图1~2所示，随着飞行器结构性能要求的不断提高，先进复合材料的树脂基体对高韧性、高耐温性能的需求越来越高。环氧树脂从、发展至、、LTM45系列，树脂韧性不断提高；这些树脂都是采用热压罐固化和真空袋固化工艺，从年开始逐渐研发出电子束固化、非热压罐固化及树脂膜熔渗(RFI)工艺用环氧树脂体系。复合材料的应用从DC10、等飞行器的承力结构逐渐增加至B-2、B等大型飞行器的承力结构，应用部位也逐渐增加；并在民用和军用飞机、航空发动机冷结构上应用逐渐增加。

图1树脂基复合材料的树脂基体发展演变：环氧树脂

图2树脂基复合材料的树脂基体发展演变：耐中温和高温树脂

双马来酰亚胺树脂由发展至、系列，树脂韧性、流动性等性能得到明显的优化提高；聚酰亚胺树脂由PMR-15、LARC-发展至LARC-PETI-5，从低流动性热塑聚酰胺发展到高流动性热固性聚酰亚胺及进一步的改性聚酰亚胺树脂及其复合材料耐高温性能得到提高，综合力学性能也有所改善。耐高温树脂材料的发展也更加

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