碳纖維復(fù)合材料（CFRP）作為先進復(fù)合材料的代表，它的發(fā)展不僅推動航天技術(shù)的飛速發(fā)展，在導(dǎo)彈和火箭的應(yīng)用中也有著不可替代的作用。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用水平與規(guī)模甚至已經(jīng)關(guān)系到導(dǎo)彈與火箭新型號的研發(fā)和整體性能的提升。

許多航天工業(yè)組織正在追求火箭結(jié)構(gòu)的輕量化，在這種氛圍下碳纖維復(fù)合材料則成為輕量化首選。目前火箭飛行維持器的主要結(jié)構(gòu)如翅片筒、鼻錐、機身等均可通過采用碳纖維復(fù)合材料 (CFRP)，可以有效降低重量。

航天飛行器的重量每減少1公斤，可使運載火箭減輕500公斤，因此，碳纖維復(fù)合材料成為目前航天飛行器結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)成熟度最高的材料。對于運載火箭和導(dǎo)彈而言，碳纖維復(fù)合材料不但可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，而且也是功能化的關(guān)鍵原材料。

目前航天器結(jié)構(gòu)用碳纖維主要為PAN基碳纖維，而且以高強中模（T系列）、高強高模（MJ系列）為主，如火箭、導(dǎo)彈發(fā)動機大多采用高強中模碳纖維，導(dǎo)彈支架、支座或托架等結(jié)構(gòu)采用了高強高模碳纖維。

在運載火箭領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料可用于制造固體發(fā)動機殼體結(jié)構(gòu)、箭體整流罩、儀器艙、級間段、發(fā)動機噴管喉襯、衛(wèi)星支架、低溫貯箱等部件。碳纖維復(fù)合材料在運載火箭應(yīng)用的典型代表為發(fā)動機殼體。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)工作時，殼體除了承受來自內(nèi)外部的壓力外，會要面臨軸壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)及橫剪等外部載荷，因此發(fā)動機殼體所用的碳纖維大多為強度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高強中模碳纖維，如日本東麗T800、T1000和美國赫氏IM7等。

• Neutron號火箭

采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，“中子”（Neutron）號火箭將成為全球第一個碳纖維復(fù)合材料大型運載火箭。

憑借先前開發(fā)小型運載火箭“電子”（Electron）的成功經(jīng)驗，美國領(lǐng)先的發(fā)射和空間系統(tǒng)公司“火箭實驗室”（Rocket Lab USA）開發(fā)了一款名為“中子”（Neutron）的大型運載火箭，其載荷能力達8噸，可用于載人航天、大型衛(wèi)星星座發(fā)射和深空探測等任務(wù)。該火箭在設(shè)計、材料和可重復(fù)利用方面取得了突破性成果。

圖1 美國Neutron號碳纖維復(fù)合材料運載火箭

• Electron號火箭

與SpaceX的獵鷹9號（Falcon 9）或藍色起源（Blue Origin）的新牧羊犬（New Shepherd）等巨型火箭相比，Electron號像是一個嬰兒火箭，因為其最大有效載荷僅為225千克，而獵鷹9的最大有效載荷為22800千克。但Electron與這些大型火箭不同之處在于，它專門設(shè)計用于將稱為立方體衛(wèi)星的微小衛(wèi)星送入太空。對于發(fā)射輕型有效載荷的需求來水，它的發(fā)射價格也相對便宜，每次發(fā)射550萬美元，而將SpaceX獵鷹9號火箭送入軌道通常需要6000萬美元。

圖2 Electron號運載火箭組裝車間

據(jù)統(tǒng)計，導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機第三級結(jié)構(gòu)質(zhì)量每減少1kg，可增加有效射程 16km，因此自20世紀80年代以來，多種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的固體發(fā)動機殼體等結(jié)構(gòu)開始使用復(fù)合材料，如美國新一代空面巡航導(dǎo)彈 ACMI58-JASSM為了大幅度地降低成本、減輕彈體重量，不僅彈翼、尾翼、進氣道采用復(fù)合材料，整個彈身全部艙段都采用了碳纖維復(fù)合材料，全彈減重了30%，成本降低50%。  

Aerojet Rocketdyne電機碳纖維繞線機于2020年初開始在阿拉巴馬州的漢斯維爾生產(chǎn)大型固體火箭發(fā)動機殼體。

結(jié)構(gòu)殼體采用碳纖維纏繞方式成型，最大生產(chǎn)直徑為72英寸、長度為22英尺的機殼，其大小足以支持戰(zhàn)略導(dǎo)彈計劃，旨在制造用于各種導(dǎo)彈，導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和高超音速系統(tǒng)的機殼，它同時支持的生產(chǎn)包括終端高空區(qū)域防御和標準導(dǎo)彈攔截器。

圖3 碳纖維復(fù)合材料外殼纏繞設(shè)備

圖4 火箭發(fā)動機碳纖維復(fù)合材料外殼

碳纖維復(fù)合材料在火箭上的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，隨著碳纖維復(fù)材的更新迭代，后續(xù)出現(xiàn)的連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料相繼問世。制造火箭的多個部件可能還會迎來新的變化，碳纖維航空航天應(yīng)用也就得到更多的成效，我們拭目以待。

圖5 碳纖維復(fù)合材料火箭外殼

• Rae Paoletta，Adorable Carbon Fiber Rocket ls Finally Ready To Launch，2017
• 強化プラスチック協(xié)會. “成形法”. 基礎(chǔ)からわかるFRP. 東京, コロナ社, 2016, p38-85.