复合材料在航空航天工程中的应用和局限性：综合指南

复合材料因其轻质、坚固和耐用的特性而成为航空航天工业的热门选择。它们由布或纤维和基质组成，基质是一种将纤维固定在一起的粘合材料。自 1930 年代以来，复合材料一直用于航空航天工业，并且它们的使用量只会随着时间的推移而增加。本博客将概述复合材料及其在航空航天工程中的各种应用。

大纲：一、引言

复合材料的定义
复合材料在航空航天工程中的重要性

复合材料是通过将两种或多种材料组合在一起，以创造一种具有独特性能的材料，例如强度、耐用性和轻质。自 1930 年代以来，航空航天业一直在使用复合材料，并且它们的使用量只会随着时间的推移而增加。复合材料因其轻质、坚固和耐用的特性而成为航空航天工程的热门选择。

二、复合材料的种类

天然复合材料：骨头和燕窝
人造复合材料：碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔纤维

复合材料存在于自然界中，例如骨头和鸟巢，并且可以是人造的。人造复合材料包括碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔纤维。

骨头和燕窝是天然复合材料，由胶原蛋白（一种类似皮革的材料）和羟基磷灰石（一种结晶物质）组成的网状框架组成。这种柔性网状物与坚固的基材材料交织在一起，形成了一个坚固但又不过脆的结构。

人造复合材料，如碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔纤维，已被开发出来以制造具有类似性能的材料。玻璃纤维的直径约为10毫米，常用于船只、风力涡轮机叶片和一些汽车。凯夫拉尔的强度超过三千兆帕，常用于防弹背心、军用头盔和飞机上的冲击保护。碳纤维的直径约为8毫米，常用于高性能赛车、战斗机和客机。

三、复合材料在航空航天工程中的应用

玻璃纤维：船用、风力涡轮机叶片、汽车
凯夫拉尔：防弹背心、军用头盔、飞机冲击保护
碳纤维：高性能赛车、战斗机、客机

复合材料在航空航天工程中有着广泛的应用。玻璃纤维用于船只、风力涡轮机叶片和一些汽车。凯夫拉尔用于防弹背心、军用头盔和飞机的冲击保护。碳纤维用于高性能赛车、战斗机和客机。

航空航天业早在 1930 年代就开始使用复合材料。霍华德·休斯（Howard Hughes）使用桦木层硬脑膜模具和 138 摄氏度的酚醛树脂层压在一起，建造了他巨大的云杉鹅飞船。碳纤维复合材料的首次使用是在 1960 年代，劳斯莱斯在 RB211 喷气发动机的压缩机叶片上。

四、基体材料

酚醛树脂：脆性好，耐热性和耐火性好，用于飞机和船舶内饰
聚酯：最常用的基体，存在于孔和风力涡轮机叶片中
环氧树脂：坚韧，良好的耐化学性，用于航空航天应用

复合材料由两种成分组成：纤维和基体。基体是一种将纤维固定在一起的粘合材料。基体材料主要有三种选择：酚醛、聚酯和环氧树脂。

酚醛树脂是第一种现代树脂，在第二次世界大战期间用于木制复合材料飞机。它往往很脆，会严重弄湿纤维，但具有良好的耐热性和耐火性，并且在火灾中不会产生有毒烟雾。出于这个原因，它仍然经常用于飞机和船只内部。聚酯是当今复合材料结构中最常用的基体，在孔和风力涡轮机叶片中都可以找到。它的耐化学性很差，很容易燃烧。环氧树脂是航空航天应用中最常用的基体。它非常坚韧，可以很好地释放增强材料，并且具有良好的耐化学性。它通常与碳纤维结合使用，用于高性能轻量化应用。

五、亚轨道航空航天器

新型谢泼德火箭系统：亚轨道旅游单级火箭和太空舱配置
维珍银河宇宙飞船2号：船体采用复合材料的金属框架
猞猁：为游客建造的太空飞机

复合材料因其重量轻、经久耐用而被选用于多种亚轨道航空航天飞行器。亚轨道飞行器与轨道飞行器处于完全不同的世界。

新谢泼德火箭系统是一种亚轨道旅游单级火箭和太空舱配置，可直线上升并返回。它不会水平射击，甚至不会试图达到轨道速度。它勉强越过官方的冯·卡门线 100 公里，表示在太空中。

维珍银河宇宙飞船2号是一个金属框架，船体采用复合材料。这艘船也是一种太空旅游亚轨道运输工具，由一架名为“白骑士”的复合材料覆盖的大型舰载机运送到发射高度。一旦释放，混合动力火箭发动机就会点火，将飞船带到卡门线上方。

Lynx是一架独特的太空飞机，专为游客建造，可以像普通飞机一样从跑道起飞，然后以同样的方式返回。复合材料非常适合这些应用，因为它们所经历的速度和气氛相对较低。

六、复合材料的局限性

在低温暴露下变得脆弱和脆弱
当从轨道或跨月速度重新进入大气层时，对于更大的体积和较冷的低温来说，选择不当

虽然复合材料坚固耐用，但它们确实有局限性。飞船在大气层中行驶得越快，它的耐热性就越强。复合材料不能承受200摄氏度以上的温度，并且在低温暴露下会变得非常脆和脆弱。

埃隆·马斯克（Elon Musk）在尝试将复合材料用于其创新的星际飞船设计时发现了这一点。一旦你达到更大的体积和更冷的低温，并且必须从轨道或跨月速度重新进入大气层，这些材料是一个糟糕的选择。

VII. 从复合材料故障中吸取的教训

X-33 Venture Star：为油箱选择的复合材料无法容纳液态氢所需的体积
Spacex：设计了一个巨大的复合油箱，效果非常好，支撑了第一级助推器的全部重量

X-33 Venture Star将是一个单级轨道宇宙飞船，以取代航天飞机。它将使用一种创新的线性气压发动机，该发动机可以彻底改变火箭推进。然而，燃料箱选择了复合材料，工程师们无法使复合材料层足够厚，以防止气体泄漏并防止非常冷的低温燃料（尤其是液态氢）破裂。工程师们试图解决这个问题，但他们无法让它为氢气工作。管理员告诉工程师，他们必须使用复合罐，否则该项目将被取消，事实确实如此。