Apa status terkini dan tren perkembangan material komposit serat di fairing kendaraan peluncuran?

Fairing satelit adalah salah satu komponen terpenting kendaraan peluncuran, yang memiliki bentuk aerodinamis yang baik, massa struktural yang ringan, dan kemampuan pemisahan yang andal. Fungsi utamanya adalah untuk mempertahankan bentuk aerodinamis kendaraan peluncuran selama pra-peluncuran dan penerbangan, melindungi muatan di dalamnya dari pengaruh lingkungan alam eksternal dan erosi aerodinamis, serta memisahkan secara andal dari roket setelah keluar dari atmosfer. Gambar 1 menunjukkan fairing kendaraan peluncuran dalam keadaan terpisah. Fairing terletak di bagian depan kendaraan peluncuran, melindungi satelit dan instrumen presisi lainnya di dalam kendaraan peluncuran dari korosi panas selama keluar dari atmosfer. Setelah kendaraan peluncur keluar dari atmosfer, fairing tidak lagi berfungsi, dan pada titik ini, untuk mengurangi bobot roket, fairing dipisahkan dari kendaraan peluncur. Untuk memastikan transmisi data antara muatan di dalam fairing dan dunia luar sebelum pemisahan, fairing umumnya memiliki kemampuan transmisi gelombang elektromagnetik. Saat ini, fairing satelit baik di dalam negeri maupun internasional terbagi dalam dua kategori: struktur paku keling logam dan struktur material komposit. Struktur paku keling logam biasanya menggunakan paduan aluminium, sedangkan struktur material komposit menggunakan material komposit serat berbasis resin dengan kemampuan transmisi gelombang. Fairing yang dirancang dan dibuat dari material komposit serat berbasis resin dapat secara efektif mengurangi bobot struktural sebesar 20%-30%, meningkatkan kapasitas muatan roket dan mengurangi konsumsi bahan bakar mesin pada muatan yang sama, sehingga menurunkan biaya peluncuran roket. Selain itu, material komposit serat berbasis resin menawarkan fleksibilitas desain yang lebih besar dibandingkan material logam, memungkinkan desain dan manufaktur terintegrasi, mengurangi jumlah komponen struktural, dan meningkatkan keandalan struktural. Ketahanan korosi yang sangat baik, ketahanan panas lembab, ketahanan radiasi, dan ketahanan lelah dari material komposit serat berbasis resin memperpanjang masa pakai struktur fairing, sehingga memungkinkan pemulihan fairing.

2.1 Bahan Panel Struktur panel memberikan bentuk fairing yang aerodinamis. Bahan panel adalah bahan komposit serat berbasis resin-yang terdiri dari bahan matriks dan bahan penguat. Material komposit serat berbasis-resin ringan,-berkekuatan tinggi, dan-tahan panas, dengan fleksibilitas desain tinggi, dan dapat mencapai fungsionalitas transmisi gelombang-dalam jangkauan luas, menjadikannya material yang ideal untuk fairing. Bab ini mengulas material fairing berbasis serat dan resin yang umum digunakan-baik di dalam negeri maupun internasional.

2.1.1 Bahan Serat Komposit serat berbasis resin-memiliki keunggulan seperti kekuatan spesifik yang tinggi dan modulus spesifik yang tinggi. Material penguat berperforma tinggi-yang biasa digunakan pada panel fairing baik di dalam negeri maupun internasional meliputi serat karbon, serat kaca, dan serat aramid.

Serat karbon memiliki banyak sifat yang sangat baik, termasuk kekuatan aksial dan modulus yang tinggi, kepadatan rendah, tidak mulur, ketahanan lelah yang baik, koefisien muai panas yang rendah, serta konduktivitas listrik dan kinerja pelindung elektromagnetik yang baik. Ini telah banyak digunakan di bidang kedirgantaraan.fiberglassadalah bahan penguat yang paling umum digunakan untuk kulit fairing gelombang-transparan, memiliki keunggulan seperti kekuatan tinggi, sifat dielektrik yang sangat baik, penyerapan air yang rendah, dan stabilitas dimensi. Kuarsafiberglassmemiliki sifat dielektrik terbaik dari semua serat kaca, pada dasarnya tidak berubah pada pita frekuensi lebar, memungkinkan transmisi gelombang broadband di fairing. Selain itu, serat kuarsa menunjukkan kinerja transmisi gelombang yang sangat baik pada suhu tinggi, dan fairing paling canggih di luar negeri saat ini menggunakan serat kuarsa sebagai bahan penguat. Serat aramid, serat khusus berteknologi tinggi-, memiliki kekuatan tinggi dan modulus tinggi, tahan panas dan tahan api yang sangat baik, dan digunakan dalam aplikasi ruang angkasa seperti rompi antipeluru dan helm aramid. Namun, sifat higroskopis serat aramid mempengaruhi sifat dielektriknya, sehingga membatasi penerapannya pada fairing transparan gelombang-.

2.1.2 Bahan Resin Fairing umumnya menggunakan resin termoset berkinerja tinggi sebagai bahan matriks panel, termasuk resin epoksi (EP), resin bismaleimide (BMI), dan resin sianat ester (CE), dll. Resin epoksi adalah bahan resin yang paling umum digunakan. Ia memiliki sifat termodinamika yang sangat baik, kemampuan proses yang kuat, dan sifat listrik yang unggul, menjadikannya bahan pokok dalam matriks resin komposit. Namun, resin epoksi memiliki ketahanan benturan yang buruk dan penurunan sifat mekanik yang signifikan dalam kondisi lembab dan panas. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti berfokus pada penambahan kelompok fleksibel ke sistem epoksi untuk meningkatkan ketangguhan dan ketahanan panasnya. Resin Bismaleimide (BMI), sebagai bahan polimida aromatik, memiliki ketahanan suhu tinggi dan rendah yang sangat baik, kekuatan dan modulus yang tinggi, koefisien muai panas yang rendah, konstanta dan kehilangan dielektrik yang rendah, volatil vakum yang rendah, dan kondensat volatil yang rendah. Ia juga memiliki keunggulan serupa dengan resin epoksi, seperti kemudahan pemrosesan, dan banyak digunakan di bidang luar angkasa. Namun kelemahannya antara lain titik leleh yang tinggi, kelarutan yang buruk, dan kerapuhan yang tinggi. Resin sianat ester (CE) merupakan jenis resin baru yang dikembangkan pada tahun 1980an. Ini memiliki konstanta dielektrik rendah, ketahanan suhu tinggi, dan ketahanan terhadap panas lembap, dan terutama digunakan pada papan sirkuit cetak berperforma tinggi dan material struktur transparan berperforma tinggi. Kerugiannya termasuk kerapuhan yang tinggi dan ketangguhan yang buruk setelah proses pengawetan. Untuk meningkatkan ketangguhan sistem resin, BMI dan CE umumnya menggunakan sistem resin campuran modifikasi yang diperkuat sebagai matriks material komposit. Sistem resin BMI dan CE yang dimodifikasi, sekaligus memastikan ketahanan yang sangat baik terhadap panas lembab dan sifat dielektrik, dapat meningkatkan kekuatan benturan struktur.

2.2 Bahan Sandwich Struktur sandwich fairing memainkan peran pendukung untuk bahan panel, dan parameter kinerjanya sangat mempengaruhi sifat mekanik bagian pemancar gelombang-fairing satelit. Bahan sandwich harus memenuhi persyaratan berikut: kepadatan rendah, modulus tekan tinggi, modulus geser tinggi, kekuatan lentur tinggi, dan sifat dielektrik yang sangat baik. Bahan sandwich fairing utama yang memenuhi persyaratan ini adalah:fiberglasssarang lebah, sarang lebah aluminium, sarang lebah kertas Nomex, dan sarang lebah busa PMI (polimetil metakrilat).

Sarang lebah fiberglass memiliki efek pengurangan berat yang tidak signifikan dan sifat mekanik yang buruk. Di bidang kedirgantaraan, sarang lebah kertas Nomex dan sarang lebah busa PMI secara bertahap menggantikannya; kombinasi panel sarang lebah aluminium dan serat karbon dapat menyebabkan korosi elektrokimia, gagal memenuhi persyaratan ketahanan korosi material komposit di lingkungan pesawat ruang angkasa yang keras; Sarang lebah kertas Nomex terbuat dari aramid yang diresapi dengan resin fenolik, dan kombinasi sarang lebah Nomex dan panel serat karbon tidak menyebabkan korosi elektrokimia, memiliki modulus geser yang lebih tinggi daripada busa kaku PMI, biaya lebih rendah, memiliki kemampuan proses yang baik, dan banyak digunakan pada badan pesawat, konektor, dan bagian lainnya, sehingga banyak digunakan di bidang dirgantara; Struktur sandwich busa PMI lebih unggul dibandingkan struktur sandwich sarang lebah lainnya dalam banyak sifat mekanik, dan merupakan struktur-kaku dengan kekakuan tinggi. Dengan kekuatan tarik melebihi 0,5 MPa, kepadatan di bawah 100 kg/m³, dan suhu distorsi panas mencapai 240 derajat, PMI menunjukkan kekuatan ikatan antar muka yang sangat baik dengan resin termoset seperti EP, BMI, dan CE. Sebagai struktur sandwich, struktur ini tidak mudah terlepas dari antarmuka panel. Selain itu, struktur PMI menawarkan kinerja transmisi gelombang yang sangat baik, memungkinkan transmisi gelombang broadband sekaligus memenuhi kebutuhan beban. Ini banyak digunakan dalam fairing di luar negeri, dan di dalam negeri, ini terutama digunakan pada komponen struktural pesawat sipil. Kendaraan peluncuran generasi baru-seri Long March 3A-mengadopsi struktur sandwich PMI yang diproduksi di dalam negeri untuk kerucut depan fairingnya, sehingga mengurangi biaya peluncuran satelit dan menunjukkan prospek penerapan yang luas.

Status Perkembangan Material Fairing Domestik Saat Ini

Untuk memenuhi kebutuhan pengembangan fairing di masa depan untuk kendaraan peluncuran dan pesawat ruang angkasa lainnya di negara saya, berbagai universitas dan lembaga penelitian di Tiongkok telah berfokus pada modifikasi material komposit serat untuk merancang dan mengembangkan material komposit serat-berperforma tinggi dan-berbiaya rendah. Hal ini telah meningkatkan kemampuan kendaraan peluncuran untuk mengakses ruang angkasa dan mengurangi siklus peluncuran serta biaya.

Dalam penelitian bahan berbasis-resin untuk fairing kendaraan peluncuran, Yang Shiyong dkk. dari Institut Kimia, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, telah mengembangkan serangkaian matriks resin polimida, termasuk generasi pertama yang tahan terhadap 316 derajat, generasi kedua yang tahan terhadap 371 derajat, dan generasi ketiga yang tahan hingga 426 derajat. Mereka juga telah mengembangkan metode pencetakan berbeda untuk komposit matriks resin yang diperkuat serat karbon tahan suhu tinggi, termasuk teknologi autoklaf vakum, teknologi RTM suhu tinggi vakum, dan teknologi pencetakan panas reaktif. He Guowen melakukan studi analisis mikroskopis pada persiapan dan kekuatan ikatan antarmuka komposit polimida, memberikan referensi untuk penerapan komposit polimida pada fairing pesawat. Rao Xianhua dari Universitas Jilin telah melakukan penelitian tentang matriks resin polimida terminasi-fenilasetilen-performa tinggi dan komposit serat karbonnya, sehingga memperluas cakrawala pengembangan fairing komposit serat karbon polimida yang tahan suhu tinggi. Aerospace Materials and Processes Research Institute telah mengembangkan material komposit polimida yang diperkuat kuarsa yang dapat digunakan dalam jangka panjang pada suhu hingga 370 derajat . Bahan ini juga menunjukkan konstanta dielektrik dan rugi-rugi dielektrik yang rendah, kinerja yang stabil, serta sifat dielektrik dan mekanik yang sangat baik, menjadikannya kandidat yang cocok untuk bahan fungsional yang-transparan/-beban{20}}tinggi. Zhang Xing dkk. merancang fairing satelit transparan gelombang penuh-menggunakan panel serat kaca-struktur sandwich sarang lebah kertas aramid. Hasil eksperimen telah memverifikasi bahwa perangkat ini mencapai kemampuan transmisi gelombang berefisiensi tinggi dengan rata-rata tingkat transmisi gelombang omnidireksional sebesar 90%. Bahkan dengan pengurangan bobot lebih dari 20%, kapasitas dukung bebannya masih memenuhi persyaratan desain, mencapai kapasitas dukung beban yang ringan dan tinggi, serta fungsi transmisi gelombang segala arah, yang telah diverifikasi dalam uji penerbangan. Qu Guangyan dari Harbin FRP Research Institute merancang struktur fairing material komposit yang ringan,-berkekuatan tinggi, dan tebal-yang dapat dikontrol menggunakan proses pengawetan material komposit serat karbon-berkekuatan tinggi. Hal ini mengatasi tantangan desain cetakan yang disebabkan oleh{38}}teknologi pencetakan terintegrasi berskala besar. Fairing material komposit serat karbon berkekuatan tinggi mempertahankan bentuk aerodinamisnya sekaligus memastikan dimensi besar, melindungi muatan internal dari pengaruh lingkungan eksternal.

Status Terkini Pengembangan Materi Fairing di Luar Negeri

Amerika Serikat membanggakan teknologi tercanggih dalam desain dan pembuatan bahan fairing kendaraan peluncuran. Bahan fairing mencakup bahan anorganik dan organik, dan proses pencetakan meliputi pengemasan vakum, pencetakan, dan pengecoran. AS memiliki pengujian kinerja fairing yang komprehensif dan metode eksperimental, serta teknologi terowongan angin untuk-pengujian di dunia nyata. Pada tahun 1970-an, AS mengembangkan material komposit Duroid 5870 dan menyelesaikan pengujian terhadap pembebanan termal fairing, sifat listrik suhu tinggi, ablasi, dan ketahanan terhadap erosi hujan. Perusahaan ini juga mengembangkan peralatan pengujian fairing otomatis untuk pengujian kinerja kelistrikan. Saat ini, dalam sistem material komposit berbasis resin organik tahan suhu tinggi (HTPMCs), resin PI (PMR-15 dan PMR-50) yang dikembangkan oleh AS telah menjadi material fundamental dalam industri dirgantara, sehingga secara signifikan mendorong penerapan material komposit PI pada komponen struktural besar dan mengurangi biaya. Sifat dielektrik serat kuarsa yang sangat baik memfasilitasi transmisi gelombang broadband, dan sebagian besar fairing kendaraan peluncuran asing kini terbuat dari bahan komposit serat kuarsa. Amerika Serikat telah mengembangkan struktur fairing komposit resin PI yang diperkuat serat kuarsa dengan suhu pengoperasian melebihi 538 derajat . Rusia memiliki{21}}teknologi manufaktur material komposit terdepan di dunia. Sambil mengembangkan dan menerapkan material canggih yang tahan suhu tinggi, perusahaan juga telah mengembangkan material komposit baru yang cocok untuk fairing broadband dan fairing mode ganda elektromagnetik/inframerah. Pada saat yang sama, mereka memperkuat penelitian tentang pemrosesan fairing dan teknologi manufaktur, dengan fokus pada desain kinerja struktural dan kelistrikan fairing. Resin fenolik termodifikasi yang dikembangkan oleh Rusia telah mencapai tingkat pemrosesan dan kinerja transmisi gelombang yang sangat tinggi, dengan suhu pengoperasian maksimum 600 derajat, dan telah berhasil diterapkan pada fairing broadband.