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九游轻如鸿毛 重如泰山——玻璃钢的前世今生

2024-07-20

九游20世纪五六十年代是极不寻常的年代,中华人民共和国成立后,面对着帝国主义的军事压制,作为党和国家第一代领导人,毛泽东同志说:“我们也要搞人造卫星!”


一声令下,哈尔滨玻璃钢研究院(以下简称“哈玻院”)等相关研究机构成立,一大批老前辈义无反顾地投身人造卫星这一神圣而伟大的事业中来。 


1970年4月24日,中国第一颗人造卫星“东方红一号”发射成功,一曲《东方红》响彻太空。 


中国成为继苏、美、法、日之后,第5个独立发射卫星的国家。 


“东方红一号”不仅达到了全部设计要求,而且至今在轨飞行,并可能继续飞行数百年。它是中国航天史上的一座丰碑,激励着一代代航天人奋勇向前。 


“东方红一号”玻璃钢点火器

在飞行器投入运行的过程中,第一大挑战就是发射。“东方红一号”发射所用的点火器就是由哈玻院承制的。


而点火器材料,正是玻璃钢。


我父亲的一个朋友,曾经专门打电话询问我:“云峰,我们家正在装修,你帮我看看,什么玻璃比较好呀。”我说:“叔叔,我做的是玻璃钢,不是玻璃,玻璃钢和玻璃,是两种不同的材料。”


这是不是也解答了很多人的疑问呢?玻璃钢,不是玻璃,它的学名叫作“纤维复合材料”。 


什么是复合材料?其实,复合材料就在身边。比如,钢筋混凝土。水泥本身的强度有限,当它无法提供足够的支撑时,就在其中加入钢筋来增强它的强度。克服单一材料的缺点,提供单一材料本身所没有的新性能,这正是复合材料的意义。 


而纤维复合材料的成型也大体如此。它是由树脂基体和纤维增强材料共同作用而成的。纤维是一种无机非金属材料,一根纤维的直径只有5微米。5微米是多大呢?可以抓起一根头发感受一下,一根纤维的粗细只有一根头发的十分之一。但它的强度却可以做到铝合金的4倍以上。 


在复合材料中,纤维就是“钢筋”。 


那么树脂又是什么呢?其实圆珠笔的外壳、矿泉水瓶,都是由树脂固化而成的。 


树脂就是“水泥”。 


可以做一个这样的比喻:纤维是骨,树脂是肉,有骨无肉一盘散沙,有肉无骨弱不禁风。骨肉相连,才能强劲有力。 


那复合材料又有哪些性能优势呢? 


它具有良好的绝缘性、很强的耐热性、优异的耐腐蚀和机械性能,而最重要的,它的密度只有传统钢铁的四分之一,是真正轻如鸿毛的轻质高强材料。 


在下图中,几个美国大兵竭尽全力举起一根木桩,妇女艰难地举起一根木桩。而我们的女工轻描淡写举起一根圆杆。这根圆杆,正是复合材料杆塔。 


女工轻易举起复材杆塔

这就是复合材料轻质的优势。正因如此,它可以更容易地输送到传统材料难以到达的地方,也可以更合理地应用到传统材料不能胜任的场景。 


我们的复合材料杆塔已经远销8个国家。无论是在沿海、矿坑,还是高山、沙漠,复合材料,使命必达。


此外,复合材料还有哪些应用价值呢?其实,在很多重要领域,都有复合材料的身影。


在电子设备领域,它是绝缘的上品材料;在航空航天领域,它是耐高温的强大护盾;在建筑建材领域,它是强化加固的一把好手;在交通运输领域,它是轻量化的不二之选……


它的价值重如泰山!


有这样一组数据:一架民用客机每减重1千克,全寿命运营成本可节约22万元。


而波音梦想客机的整机复材占比更是达到了50%,也因此成为了航空史上首架超长程中型客机。


不仅如此,轨道交通也因复合材料而开启新的篇章。今天,动车组的复合材料应用,已经超过了30%


动车组复材应用

从蒸汽机时代、内燃机时代,再到高速列车时代,轨道交通提速至每小时600 千米指日可待。


2022年7月24日,中国在文昌航天发射场使用长征五号运载火箭将“问天”实验舱精准送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。


“问天”实验舱是当今世界最大单体载人航天器,它全长17.9米,最大直径4.2米,发射质量23吨。


哈玻院团队承制了“问天”实验舱多项重要结构部件。太阳翼收纳箱、电源定向结构、推进结构等。


团队承制“问天”结构部件


在飞行器投入运行的过程中,第一大挑战是发射,而第二大挑战则是展翼。太阳翼是“问天”在空间中的能量源泉。


“问天”的太阳翼全展超过55米,堪比半个足球场。所以发射前,必须对太阳翼进行折叠压缩,压缩至一本书的厚度


“问天”太阳翼折叠压缩示意


而在轨展开后,太阳翼受到的微小抖动,都会导致实验舱的控制精度大大下降


为此,国内研究团队采用超薄复合材料设计制造了太阳翼的保护结构——收纳箱和隔离板,攻克了复材耐受空间环境和尺寸稳定性等一系列技术难题,做到了“减体重、减体积”却“不减功能和能量”,让太阳翼能够“张弛有度、收放自如”且“万无一失”。


“问天”实验舱成功发射,而“梦天”实验舱紧随其后,“神舟”十三号、十四号、十五号接力腾飞,中国空间站向世界宣告全面建成。


建造空间站、建成太空实验室,是实现我国载人航天工程“三步走”战略的重要目标。从“长征”出征、“神州”飞天到“嫦娥”奔月、“天宫”揽胜,多年来,在祖国逐梦航天的道路上,哈玻院等相关团队一直输送着高性能复合材料产品。


作为我国第一个漫步太空的女航天员,王亚平在党的二十大上说:“要问航天事业带给我的最深刻的感受,一个是时代的力量,另一个是传承的力量。”


没错,我们传承先贤的智慧,扛起父辈的旗帜。


“九天之际,列星安陈”。


因为梦天,所以问天。


千年的探索,从未放弃,前赴后继,代代接力。


53年前,我们把“东方红”送上太空,扬眉吐气。


今天,我们成功发射了领先世界的庞然大物,在太空又多了一份牵挂和自豪。


心有翼,自飞云宇天际;梦无垠,当征星辰大海。


请祖国和人民放心,我们定会牢记使命,勇攀高峰,强我国防,再造大国利器!


推介单位 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司科协

演讲者 | 张云峰

编辑排版 | 倪妮

审核 | 六朵  苍翼蝴蝶 苏苏

文中图片 | 选手提供

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