碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、各向异性等突出优点，作为航空航天四大材料之一的碳纤维复合材料，在军用与民用领域的应用越来越广泛，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着非常重要的作用。
据悉，碳复合材料结构使Neutron（中子）成为世界上第一个碳复合材料大型运载火箭。
世界上第一个碳复合材料大型运载火箭
Neutron将是世界上第一枚碳复合材料大型运载火箭。此前，Rocket Lab 率先将碳复合材料用于轨道火箭的 Electron 火箭，自 2018 年以来，该火箭一直为政府和商业小型卫星提供频繁和可靠的太空通道。
Neutron 的结构将由一种新的、特殊配方的碳纤维复合材料组成，该材料重量轻、强度高，能够承受发射和重返大气层时的巨大热量和力量，以实现第一级的频繁重返飞行。为了实现快速可制造性，中子的复合材料结构将使用自动纤维铺设（AFP）制造，该系统可以在几分钟内建造数米的碳火箭弹壳。
“Neutron不是常规火箭。它是一种新型运载火箭，具有可靠性、可重用性和降低成本，从一开始就融入了先进的设计。Neutron 结合了过去最好的创新，并将它们与尖端技术和材料相结合，为未来提供火箭。”相关人员在活动期间说。
碳纤维复材在火箭及航空领域的应用
航空航天技术代表了一个国家科技的综合水平，目前全球能够独立发射火箭的国家屈指可数。火箭是一个行走的金库，每一艘火箭都代表了巨大的经济投入。想要合理的缩减火箭成本，新型材料的应用变成了一个重要的方向，而碳纤维就是这个大方向里的重要一环。
碳纤维复合材料主要用于制造运载火箭箭体和发动机壳体的结构部件，其中，发动机盖、壳体、燃烧室、翅片筒、鼻锥、机身等部件，需要采用耐高温、比刚度和比模量高的材料，强度高同时质量轻。拿翅片筒来举例，在保证刚度的前提下，碳纤维尾翅的重量约为2磅，而铝合金约为5磅，相差了1.5倍之多。整流罩需要采用易于加工、整体成形性能好的材料。
当前，美国、日本、法国等国家的运载火箭发动机壳体均采用碳纤维复合材料制造，例如，美国大力神-4火箭壳体、法国的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭的发动机壳体等，运载火箭应用碳纤维复合材料在质量上比铝合金材料减少10%-25%。
在今年的10月19日，我国自主研制的目前世界上推力最大、可工程化应用的整体式固体火箭发动机在航天科技集团四院试车成功。该发动机直径3.5米，推力达500吨，其壳体也是采用高性能纤维复合材料制成。
助力长征五号B运载火箭减重约400公斤
去年5月，我国长征五号B运载火箭一飞冲天，任务圆满成功。对于多级火箭来说，芯一级、助推器减重，对提高运载能力的影响并不明显。而对于一级半入轨的长征五号B火箭来说，芯一级减重多少，运载能力几乎就可以提高多少；助推器减重与运载能力提高的比例也高达1.25:1。减重收益相当可观。
长征五号B火箭的芯一级尾段位于箭体最后，不仅是发动机舱，当火箭竖立在发射台上时还能起到支撑作用。此前长征五号火箭的尾段，采用的是组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案。而在长征五号B火箭研制中，航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“3+2”蜂窝夹层结构整体成型技术，用在了一级尾段的壁板和防热板结构成型中，实现减重约400公斤。
近期碳纤维复材在太空的应用
采用高模量碳纤维复合材料的詹姆斯韦伯太空望远镜成功升空：12月25日，由美国航天局、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）联合研制的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）已经成功地从法属圭亚那库鲁发射。JWST望远镜配备了东丽先进复合材料公司的高模量碳纤维增强氰酸酯预浸料树脂系统。先进的复合材料具有精确的强度和刚度性能，重量轻，可在极具挑战性的太空环境中执行任务。
碳材料助力NASA太阳探测器首次进入太阳大气层：12月14日历史上第一次有航天器接触太阳。NASA的帕克太阳探测器现在已经穿过太阳的高层大气。探测器的隔热罩也被称为热保护系统（TPS），由两个碳材料的复合层和中间碳泡沫构成。隔热罩朝向太阳的一面还涂了一层特殊的白色涂层，以尽量反射来自太阳的能量。和普通碳纤维不同在于碳-碳结构不是通过硬化树脂聚合在一起的，太阳附件的高温会使得硬化树脂蒸发，为此NASA用“切碎的碳纤维”作为填充材料，通过3000℃的烘烤使得结构成形，最终得到碳-碳结构的纯碳物质。
3D打印碳纤维部件送上月球：日前，加拿大AON3D公司与Astrobotic公司合作，将装配3D打印部件、由Astrobotic公司生产的Peregrine Mission One（PM1）月球着陆器送至月球。为了制造出能够在太空条件下正常工作执行关键任务部件，这家3D打印机制造商正在使用其最近推出的AON M2+高温工业3D打印机，该机可充分使用各种热塑性复合材料、碳纤维复合材料和聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酰亚胺（ULTEM）等高性能聚合物制造零部件。
碳纤维复合材料在火箭上的应用已经相对成熟，随着碳纤维复材的更新迭代，后续出现的连续碳纤维增强热塑性复合材料相继问世。制造火箭的多个部件可能还会迎来新的变化，碳纤维航空航天应用也就得到更多的成效，我们拭目以待。
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