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新聞詳情 News details

飛機“五臟六腑”都有紡織品

嫦娥五號成功完成無人月面采樣返回任務,著陸器在月球上實現了升國旗,這面國旗是武漢紡織大學徐衛林院士團隊研制的,它突破了中國深空探測無溫控條件、有色紡織品無法正常使用的歷史,引發了社會和媒體的廣泛關注(長江日報曾有報道)。

其實,不只是國旗,航空航天到處都有紡織品的身影。千百年來,對于紡織品,大多數人的印象還停留在服裝家紡上,可是,紡織品早都可以上天入地了,幾乎無所不能。哪些紡織材料可以用在航空航天?這些紡織品有什么優勢?中國工程院院士、紡織工程專家徐衛林攜新書《航空航天紡織品探測》解密紡織材料在航空航天領域的應用。


幾千年前的紡織品,科技含量不低


20世紀70年代,長沙馬王堆漢墓出土了一件素紗襌衣,這件衣服很寬大,可重量不足一兩,是迄今所見最早最薄最輕的服裝。今天的專家試著復制它居然花了13年。紡織工程專家徐衛林評價,一般衣服要保暖、蔽體,而這件素紗襌衣產生了紡織的其他功能,老祖宗幾千年前的紡織品居然已有科技含量。

中國的神話故事也很令人驚嘆。東晉年間,神話志怪小說集《拾遺記》中對航天服的雛形進行過描述。相傳,西海上空曾經出現了一艘飛船,從飛船上下來五六個人,穿著銀色的衣服,身體碩大無比,一段時間后,該飛船便消失不見,了無蹤影。這個銀色的衣服,是不是和我們現在的航天服很像?當然,這些描述都是小說情節,無據可查,也無從考證,但是卻加速了人類航天科技及航天服的研發。

無獨有偶,在1500年以后,法國著名科幻作家凡爾納在其小說《從地球到月球》中,也生動地描述了宇宙航行的情節。從那時起,凡爾納就聯想到人類如果要想在太空中行走,需要具備特殊防護功能的裝備。然而,當人類于20世紀30年代初首次進行高空飛行后,才意識到航空航天服是必不可少的裝備之一。


航天器不只金戈鐵甲,紡織品無處不在

 

不知道你是否留意過,在2014年巴西世界杯賽場上,總是有一個影子在場間晃來晃去,仔細看的話會發現那是一艘小型的拍攝飛艇。毫不夸張地說,飛艇90%的材料都是紡織品。第一次世界大戰中,德國飛艇號稱子彈都打不穿,其實完全是謠言,因為它是由亞麻布、絲綢和棉布的外包蒙皮,是不可能防彈的。

飛在天上的,平日里老百姓接觸最多的是飛機,座椅套、地毯、安全帶、救生衣是最直觀的紡織制品,這些就是紡織品的全部嗎?并不是,在飛機的身體各處都有紡織材料。

別看飛機是合金大家伙,其實五臟六腑都有紡織品。比如飛機的心臟”——發動機,里面就用到了高性能的蜂窩結構材料,起到吸聲降噪作用,還能抵御硬物。飛機的”——吊艙,用處是把發動機和機翼連接的結構及系統設備、管線路在內的部件全都吃到肚子里,這個主要就是紡織復合材料。飛機還有一個脂肪層,就是飛機的隔熱層,一般也是用蜂窩結構的紡織復合材料做的,不光能減輕重量,還能解決熱膨脹問題。飛機的皮膚”——蒙皮也用到紡織品,早期飛機的蒙皮是帆布,后來以金屬薄片居多,但是比較重;現在越來越多用合金和復合材料,內部用泡沫夾層或者蜂窩夾層,又隔熱又堅固。還有飛機的”——輪胎,抵抗著陸時的巨大沖擊不光是對橡膠有要求,對簾子布也有要求,簾子布就相當于飛機的腳掌骨,是一種機織布做的。

你有沒有聽說過民用飛機救生滑梯被乘客意外放下,因而面臨不菲罰款的報道?這就很讓人納悶了,就只是開一個充氣滑梯,怎么有這么重的處罰?傳統的救生滑梯一般采用橡膠涂層,成品率不高,而且橡膠易老化,目前我國民用飛機的救生滑梯大多采用的是熱塑性聚氨酯橡膠與織物復合而成,還要經過聚氨酯涂層的摩擦系數、抗靜電涂層和熱反射涂層等復雜工序,造價很高。所以說救生滑梯是很薄弱的一環,不能隨意放下。

飛行員穿的高空代償服、跳傘服、抗荷服、液冷服等也是紡織品。高速飛行中,血液會聚集在下肢,這對飛行員來說很危險,因為大腦和心臟容易缺血,暈厥或者喪失意識都容易發生。所以飛行員穿的衣服必須是黑科技。比如說充液式雙層抗荷服,外層是不可伸縮的材料,夾層埋藏注有液體的管子,內層是防水隔膜。注有液體的管子可以連接身體的各個部位,在一定條件下,這些液體和血液一樣,會聚集到下肢,對應的部分面料就膨脹起來,對下肢產生額外壓力,迫使血液返流回心臟和大腦。

火箭和導彈中也有紡織材料,這聽起來匪夷所思:航空航天的環境那么復雜,高速運行下,飛行要經歷嚴酷的高溫環境,紡織品豈不是很快就完蛋了?其實不稀奇,紡織材料輕,柔性又好,還能耐腐蝕。像火箭在長時間內需要確保儀表、電纜正常工作,一些柔性材料包裹在外面可以降溫隔熱,這些柔性材料大部分是紡織品,像單層玻纖布,可以讓內外溫差達到47℃;如果用兩層玻纖布+兩層硅橡膠布+兩層鍍鋁薄膜,那么可以讓隔熱系統內外溫差達到232℃。如今,航天服、代償服、降落傘、內飾材料、飛機、飛艇、火箭、導彈、衛星、宇宙飛船、太陽能電池板、雷達天線罩等都用到了紡織材料。

 

 航空航天材料的方向:輕,越來越輕


錢學森曾說,航天器一個零件減少一克重量都是貢獻。這足以說明材料的輕量化在航天領域多么重要。輕量化不僅是航空航天材料和設計的根本,更是決定了飛行器運載能力的關鍵。

航空航天結構材料發展不是一帆風順的,其中出現過嚴重事故,有些事故就與結構材料有關,比如說1986年,美國的挑戰者號航天飛機在飛行過程中發生了爆炸,主要原因是固體發動機連接處的密封材料失效,這就導致了7名機組人員全部遇難。據統計,在1954年到1995年間,由于結構問題導致的飛機事故總共有67起,而其中大部分事故和結構材料的性能有關,所以說,結構材料在航空航天中的重要性引起了世界各國極大的重視。

近些年來,人們對結構材料的性能要求越來越高,最好還能節約成本。人們就慢慢發現,其實紡織材料可能是最佳選擇,因為它在性能、結構、成本上都非常優質。木材承受不了高溫;鋼鈦材料導熱性差又重,鋁合金材料剛性差又不耐磨,聚合物復合材料的耐輻射和抗老化性能又差。

經過多方對比,人們發現碳纖維復合材料不錯,所以常用于人造衛星、太陽能電池板以及一些關鍵結構部位。而且這也是一個經濟化的問題,從成本考慮,根據權威資料,航天運載器一旦起飛,每重1千克產生的費用最高就要增加3萬美元,而導彈發射產生的費用還要更高。

所以現在高性能的纖維材料尤其是碳纖維材料很吃香。2020年,全球樹脂基碳纖維復合材料占全球復合材料市場基體材料80%以上,而且其中50%的客戶是航空航天領域。全球碳纖維材料的需求量在逐年遞增,預計2030年將達到40萬噸。所以說,紡織材料是航空航天領域的一種必然選擇。

不過也有例外。美國的馬斯克的space X公司對外就宣稱,將采用不銹鋼而非常規的碳纖維材料來制造巨型火箭。2019110日,馬斯克在推特上發布了一張新建火箭測試版的照片,他稱之為啤酒花,艦體及超重型助推器不用碳纖維材料,而是用300系列不銹鋼取代,那么不銹鋼比碳纖維材料更輕更結實嗎?

當時《大眾機械》主編對馬斯克做了一個專訪。馬斯克說,他對材料改為特種不銹鋼的問題考慮了很久,還花了很大力氣來說服團隊成員。他計算,碳纖維成本為每千克135美元,并且在加工過程中差不多有35%的損耗,這樣算下來,使用碳纖維的方案中,每千克大約需要200美元;而使用不銹鋼的方案中,每千克只要大約3美元。在重量方面,馬斯克說,盡管它看起來似乎很重,但事實上卻很輕,而且不銹鋼材料在低溫下的強度甚至會比常溫下提高50%左右。他選用的是301不銹鋼。

文章摘自:人民融媒體

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