产业研究 | 商业航天产业高速发展，高分子新材料成产业升级关键变量（附：PDF）

近期，商业航天行业动态与产业支持不断，使得该领域热度持续遥遥领先。

一方面，国内首个海上回收复用火箭基地近日开工，该项目投入高达52亿元，建成后具备年产25发火箭的制造能力。

另一方面，上海、广州等城市加强商业航天规划，上海加速商业火箭规模化发展，广州推动两大火箭基地尽快落地。

作为新质生产力的重要代表，商业航天火箭对上游材料的耐高温、轻量化、高稳定等提出了极高要求，核心材料的技术壁垒凸显。

表1 卫星各环节主要材料体系

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）作为先进复合材料的典型代表，是目前航天器结构应用范围最广、技术成熟度最高的材料，同时也是实现航天器结构轻量化、多功能化的关键材料。和传统钢、铝材料相比，先进复合材料的应用，能够减轻航天航空器结构重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同时，还能降低制造和发射成本。

图1 火箭整体结构

卫星对结构材料主要要求在承载能力和热防护能力，即要求树脂基复合材料作为结构材料时具有足够的强度、刚度以及耐温性，典型产品如：卫星舱体壁板、卫星发动机支架、卫星承力筒以及高精度的星载天线。

表2 航天器结构用碳纤维性能

卫星舱体壁板是卫星的关键结构件，多为面板/蜂窝夹层结构形式，内置多类型镶嵌连接件，主要用于装载卫星的各种功能部件。下图为碳面板/铝蜂窝夹层结构形式，其中碳面板为碳纤维增强树脂基复合材料，涉及超薄预浸料制备工艺、蜂窝夹层结构装配工艺、热压罐/真空袋固化工艺等工艺技术，同时应用了结构板胶接装配技术、埋件精准定位技术以及平面度控制技术等关键技术。

图2 某型号卫星碳面板/铝蜂窝夹层结构舱体壁板

发动机支架为卫星推进发动机的典型支撑结构，其由空间多向接头和杆件胶接而成，接头要求一体成型，难度高，涉及预浸料制备工艺和缠绕成型工艺以及编织预制件/RTM成型工艺等关键工艺技术。初期结构材料采用的是环氧树脂体系，但随着设计要求的提高，原有环氧树脂的耐温性（低于160℃）已不满足未来的使用要求，北京空间机电研究所复材专业经过一系列新型材料体系应用技术研究和工艺验证，成功采用新型的耐高温双马树脂体系代替了原有的环氧树脂，辅以新型耐高温胶黏剂，将发动机支架的使用温度提高到200℃，研制产品已被用于多颗卫星。

图3 490N 卫星发动机支架

承力筒是卫星结构的重要承力件，要求结构具有力学性能好、空间利用充分、承载能力宽和适应性强等特点。某型号卫星承力筒为柱锥一体结构，研制采用碳面板/铝蜂窝夹层筒体的结构形式，充分发挥了蜂窝夹层结构的结构效率高、刚性强、重量轻等优势。

星载天线反射面是卫星功能应用的重要结构件，其型面精度以及副反射面的安装精度直接影响天线功能的正常发挥，某型号0.6m口径和1m非圆口径抛物面天线，反射面主体结构为碳纤维/环氧树脂复合材料蒙皮铝蜂窝夹层结构。

卫星对热控材料要求苛刻。在空间热环境的作用下，卫星温度将发生变化影响结构性能、精度以及星上设备单机的工作，因此必须采取隔热、导热、辅助加热等热控措施，将湿度控制在合理范围。卫星上采用的热控件包括多层隔热材料、热管，热控涂层、扩热板等，高反射率、高发射率、高导热率是热控材料追求的目标。

多层隔热材料由若干个多层单元和内外表面面膜组成，外表面面膜反射太阳光减少外部热流输入。每层单元由反射层和间隔层组成，反射层减少辐射换热，间隔层减少反射层表面的接触。

热管利用毛细力驱动工质的蒸发、凝结相变和循环流动而工作，以满足星上设备的散热需求。典型工质材料为氢、正十四烷等。

扩热管可用于均衡面域上的温度，传统材料为单一铝实体。随着空间设备对散热要求的提高，南京电子设备研究所研究了新型复合相变扩热板，以铝合金为壳体，内部采用高导热复合相变材料提高散热能力。

卫星光学载荷材料碳化硅性能优异明显。反射镜是空间光学遥感器的核心关键部件，遥感器分辨率的提高使得反射镜口径不断增大。为节约结构质量，提高光电系统的性能，大尺寸反射镜的材料应具备质量轻、刚度高、导热性好等特点。目前，反射镜常用的材料有石英玻璃、碳化硅、金属镀等。相比于玻璃，碳化硅的比例度高出约4倍，热导率提升2个数量级，是国内空间遥感器反射镜的首选材料。

图4 射频组件装配示意图

陶瓷管壳可应用低轨卫星的射频微系统。LTCC基板（低温共烧陶瓷基板）具有高频性能好、布线方阻小、烧结温度低和气密性能好的特点，它的使用有利于系统的小型化，可提高电路的组装密度，且有利于提高系统的可靠性，被公认为微波一体化封装的良好解决方案，因此LTCC基板广泛应用于微波通信、航空航天和军事电子等领域。近些年，我国陶瓷多层气密结构的系统级封装技术、系统级射频垂直互联技术及复杂组件/部件一体化焊接技术不断成熟，成为实现星载射频接收组件的小型化、集成化、工程化的最优方案，所以陶瓷管壳产品可应用到低轨卫星的射频微系统。一般射频前端（T/R组件）占卫星制造成本为20%，芯片封装后封装材料占射频前端成本的28%，而封装基板在封装材料中占比50%–80%，且技术越先进占比越高。考虑目前国内低轨通信卫星平均造价约为3000万元，据此测算单颗卫星中陶瓷管壳价值量占比在110万元左右。

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