詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）是设计最复杂、功能最强大，也是人类有史以来最大的太空望远镜，它极大地扩展了人类在恒星间的视野。目前，JWST正从距离地球160万公里的天文台位置发现新的恒星系统，并收集有关宇宙历史的科学证据（图1）。毫无疑问，JWST是这个时代的伟大工程壮举，但在其背后，碳纤维复合材料确实起着重要的支撑作用。

图1 “宇宙悬崖”是7600光年外年轻恒星诞生的地方，由JWST望远镜的近红外相机聚焦拍摄得到

JWST必须满足前所未有的热稳定性要求，以最大限度地减少其形状的变化，它的一面因为面对太阳而变热，而另一面则必须在超低温下工作。诺斯罗普·格鲁曼公司作为JWST太空望远镜总承包商，公司项目经理Bob Hellekson指出：看到JWST发回的图像，而这在一定程度上是通过使用我们团队为此次任务开发的创新高模量碳纤维复合材料技术而实现的，真是令人惊讶。这项技术使全球一流的、纳米尺寸稳定、可折叠、可部署和高质量的望远镜成为可能，并开启了天文学的新时代。

JWST中复合材料创新技术

诺斯罗普·格鲁曼公司的复合材料小组为JWST太空望远镜提供了以下硬件：

主镜背板支撑结构（Primary Mirror Backplane Support Structure，PMBSS），或背板和机翼结构；
辅助镜支持杆（Secondary Mirror Support Struts，SMSS）；
辅助后视镜安装组件（Secondary Mirror Mount Assembly ，SMA）；
星跟踪器支持组件（Star Tracker Support Assembly ，STSA）；
可展开式塔架组件（Deployable Tower Assembly，DTA）；
遮阳板侧吊杆；
遮阳板撑杆；
航天器总线系统推进舱；
集成科学仪器模块结构（Integrated Science Instrument Module ，ISIM）

JWST太空望远镜有两个主要部分，ISIM/光学望远镜元件（Optical Telescope Element，OTE）或OTIS和航天器总线（图2）。JWST望远镜的OTIS部分包含望远镜直径6.5米（m）的主镜，二次反射镜和望远镜是任务关键的光学设备和科学仪器。

图2 JWST主要组成部分示意图

JWST的背板主要使用M55J高模量碳纤维复合材料制成，高约7.3米，宽约6.1米（图3），背板支撑的重量是其自身重量的三倍多。PMBSS复合材料结构也被称为JWST的脊柱，它支撑着约3311公斤的镜子、望远镜光学仪器和其他OTIS组件（图4）。

图3 图中蓝色部分是JWST的M55J碳纤维复合材料背板，位于主镜后面

图4 JWST的背板是一个大型复合材料结构，可支撑6吨仪器、镜子和望远镜组件

背板结构的一个主要设计挑战是要求OTIS在超低温下保持静止和稳定，否则光学设备无法最佳工作。为了实现这一壮举，背板的材料在工作温度范围内不能膨胀或收缩超过38纳米(nm)的均方根(RMS)，这种可控范围大约是人类头发直径的1/1000。

基于此，科研人员设计了一种新的复合材料层压板，以满足从室温到大约零下223°C至零下243°C（30-50开尔文温度）的这种极为苛刻的热膨胀系数（CTE）规范。Hellekson介绍：在这个工作温度范围内，材料尺寸必须控制在38nm的RMS范围内，误差范围为±0.15 k，背板必须足够坚固，能够承受发射时的振动和应力，但也要足够灵活，能够应对低温下可能发生的收缩和结构载荷（图5）。

图5 当一个机械臂安装18个主镜中的第一个时，Webb的复合材料背板打开到它的全部宽度，镜面上覆盖着一层黑色的保护层

大多数JWST的复合材料都需要进行大量的复合材料联合开发测试。美国国家航空航天局NASA戈达德航天飞行中心(GSFC)韦伯望远镜经理Lee Feinberg表示，对于背板和仪器载体来说，一个独特的要求是证明在JWST部署的科学模式下达到的极端低温下连接的完整性和强度。 Feinberg说：“所有的复合材料都工作得非常好。望远镜的稳定性超出了预期。”

诺斯罗普·格鲁曼公司的复合材料团队发现，不同材料对地球大气层和太空温度变化的反应不同，将碳纤维与钛和因瓦合金配件和接口连接也能使背板具有稳定的强度。复合材料零件在5K（接近绝对零度）的低温室中组装前进行了测试，并测量了尺寸的变化（图6）。

图6 经过大约100天的低温测试后，JWST离开了美国宇航局位于德克萨斯州休斯顿的热真空测试室

DTA结构（图7）有助于将望远镜和仪器安装在火箭整流罩内，并具有可接受的发射重心，然后在发射后，当JWST过渡到其部署配置时，DTA将望远镜反射镜和仪器抬离航天器。它从装载收起高度的1.7米延伸到完全展开高度2.9米。它由两个大型伸缩管组成，主要由轻质高模量碳纤维复合材料制成，选择这种材料是为了使冷望远镜与热航天器隔热。

图7 该高模量碳纤维复合材料部署塔部件可以在发射过程中为JWST提供稳定性，后来将望远镜提升并远离航天器总线

航天器总线结构

JWST的这一部分包括遮阳板，它对于保持望远镜科学仪器对来自太阳、地球和月球的光和热至关重要，这样它们就可以在大约50K的黑暗中工作。它还包括航天器总线结构，其中包括制导、导航和通信系统。对于JWST这部分结构而言，选择复合材料主要是因为它们重量轻，而不是因为它们在低温下的性能。

对于五层、21米长、14米宽的遮阳板，部件材料的选择在2008年初JWST的初步设计审查中完成。最初，M55J高模量碳纤维被选为9米长的遮阳板单元托盘结构（UPS）和其他支持大面积Kapton材料的部件，这些材料可以阻挡热量、光线和红外辐射到达OTIS。然而，在经过关键的设计审查后，美国宇航局认为需要大幅降低JWST的质量，这使得几个重要子系统的材料发生了变化，包括最终由M60J高模量碳纤维制成的遮阳UPS，因为大型UPS结构迫切需要轻量化、刚性和抗蠕变。

T300碳纤维复合材料层构成了Sunshield太阳盾的5米中臂组件（ Mid-Boom Assemblies，MBA），这些部件被放置在一系列带有加强环的伸缩管中。

UPS和MBA结构必须在其收起状态下携带遮阳膜进行发射，然后在轨道上展开和拉紧膜，现在在JWST的五到十年寿命中保持这种张力。它们必须在温度>100°C时承受连续弯曲载荷，同时保持薄膜位置稳定。

根据JSWT航天器结构和机械负责人、Matrix Solutions公司总裁Jeff Smallowitz的介绍，在航天器总线结构上，STSA是最具挑战性的复合材料部件。STSA支持三个精确对准的恒星跟踪器，以在天文台收集科学数据时对其进行定向。尽管STSA被设计为在接近室温的温度下运行，但最小的热梯度会扭曲结构并影响天文台的对准。因此，STSA需要超低CTE层压板和隔热罩，以将硬件保持在均匀的温度。

（主要参考：JECcomposites）

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