复合材料于空间固体火箭发动机.pdf

《复合材料于空间固体火箭发动机.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料于空间固体火箭发动机.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、摘 要 本文介 绍 7我 国近几年 来多次发射 成功 的 国产地球 同步通 信广播卫星，气象卫星 的远 地点 固体火箭发动机及近地 点 固体火箭发 动机所用的各种复合材料部件的研制、试验和 使 用情况。所 用的复合材料 包括 高强度纤维缠 绕成型的燃烧室壳体，高性能碳 碳复合材料 制造 的喷 营喉部镶嵌 内衬(喉衬)，耐烧蚀橡 胶基 柔性 内绝 热层、模压 与布带 缠绕 的刚性喷 营隔热件等 重点介 绍壳体和喷 管材料。对有 关材料 的成型I艺，制品性能、使 用 效果作 j叙述，并评述 7这些复合材料的发展 趋势 以增强纤维、基体和界面相为主组成的复 合材料由于其优异的力学性能、功能特性，材

2、料可设计性及易制造成型等优点，已在各产业 领域得到广泛的应用，尤其是各种基体的先进 复合材料所具有的高比强度，高比刚度、耐高 温、耐磨蚀 导电导热、热膨胀系数小，抗 疲劳性好、阻尼性能好耐烧蚀耐冲刷、抗 幅射吸波换能以及其他物理功能，正是航 天高技术所极其感兴趣的特点，所以先进复合 材料既为航天工业提供了理想的结构材料，又 提供 了极好 的功能材料，是新一代的宇航材 料 我们可以肯定地说，没有先进的复合材料 就没有现代的航天技术。复合材料在航天构件中所占的比例愈来愈 大，其中以固体火箭发动机所采用的各类基体 的复合材料的品种和数量最多即有全复合材 料发动机的趋势。为此，本文以固体发动机为 例，

3、结合我国近年来发射成功的各种通信广播 卫星所用固体发动机的材料应用情况，对大陆 的航天复合材料研究制造情况进行概括的介 绍和论述。在 发射 卫星 的过程 中，除了用作小型全 固 体运载火箭及液体运载系统的助推器外，固体 火箭发动机主要用作各种空间发动机 由于固 2 体火箭发动机具有简单，可靠性高，可长期存 放在卫星舱内或航天飞机的货舱内待命，并可 接到指令后即刻启动，所以欧美、日本等国都 发展了多种类型的惯性顶级发动机 远地点发 动机和变 轨发 动机。我 国 自 l 9 8 4年 4月 以 来，曾多次用 长征三号 液体运载火箭成功 地将试验通信卫星、实用广播通信卫星和气象 卫星发射到远地点为

4、3 6 0 0 0 k m的地球同步大椭 圆轨道(转移轨道)，然后启动远地点发动机(E AKM)将卫星变轨到地球准静止 同步轨 道 我 国 又 于 1 9 9 5年 l 1 月 和 l 2月两 次 用 长征二号 捆绑式液体运载火箭分别将“亚 洲二号 通信卫星和美 国的 艾科斯达(回 声)号 通信卫星发射到停泊轨道，然后启 动顶级变轨发动机(近地点发动机，E P KM)将卫星由停泊轨道变轨到远地点为 3 6 0 0 0 k m的 地球同步转移轨道(大椭圆轨道)上述的远 地点发动机和近地点发动机都是我国自行设计 和制造的固体火箭发动机。固体火箭发动机结构简单，由固体推进剂 药柱 燃烧室绝热壳体、喷

5、管和点火装置四个 主要部件组成。它的简单是以对结构材料和功 能材料的高性能高效率和强功能等苛刻要求 为基础的否则就需要与液体火箭发动机类似 的复杂 的冷却 系统。图 l 和 图 2为 中国航天工 业总公司的第四研究院和河西公司分别研制的 远地点发动机和近地点发动机的结构简图 其 主要参数 如下：固体远地点发动机 外径：8 9 6 mm 最大推力：4 3 4 6 KN 总长：1 4 8 9 mm 工作时 间：4 0 S 总质量：5 8 0 k g 总 冲 量：1 4 3 2 KN s 玻璃钢壳体总重：4 0 k g 固体近地点发动机 外径：1 7 0 0 mm 最大推 力：l 9 0 KN 总长

6、：2 9 3 0 mm工作 时间：8 8 S 高 科 技 纤 维 与 应 用 维普资讯 http:/ 1 9 9 6年 第十一、十二期 专 家论坛 图 1 固体远地 点火箭发 动机 结构 简图 安全 点火 图 2 固体近 地点火箭 发动机结构 简图 总质量：6 0 0 0 k g 总冲量：l 5 6 0 0 KN S 玻璃 钢壳 体总重：2 1 0 k g 本文 重 论述发 动机壳体 和喷管所 用的各 种 复合材制 一绝热壳体材料 发 动机壳 体既是推进 剂贮 箱又 是进 行高温 化学燃烧 的高压 容器，因此既承担结构载荷叉 承担高温绝 热的作 用。设 计时 以高 比强度、高 比模 量 的材

7、料 制造壳 体结构，承 担 约 5 1 0 MPa的 内压 和 发 射飞 行 时 的轴 压，弯矩、扭 转、冲击及 振动等外载 的作 用；壳体 内衬耐 烧 蚀的绝热层 材料(属一种橡 胶或 弹性 体基的 功能复合材料)以保护壳体不被约 3 5 0 0 K的 高温燃 气所饶穿。高 科 技 纤 维 与 应 用 纤维缠绕成型的复合材料容器 除 具 有 复台 材料 共 有 的 优点 外 由 于缠 绕 结 构 的 方 向 强 度 可 根 据 要求 而定、因而可 设计 制造 出一 种 能充 分 发挥 材 料 效 率 的结 构 其各部 位载荷要 求 的强度 都 与各 部 位 材 料 提 供 的 实 际 强 度

8、 相 适 应 这 是金 属材 料 所 做 不 到 的 因此这 种结构 可 获得 同种 材料 的 最 高 比强度：同时 它还具有 工 艺 简单 自动化程 度高、制 造周 期 短、成本 低等优点 所 以是 壳 体 材料成 型工 艺的发展方 向 固体火箭发动机使用的第一 代 复 合 材 料 是 玻 璃 纤 维 增 强 塑 料(俗称玻璃 钢)第二代是 芳纶复合材料 第三代是 高 强度碳纤维复台材料 上述两种发动机的壳体 均 为玻璃纤 维缠绕的树脂基 复 合材料。玻璃纤维为国产 的 S i 0 一AL2 O 一M g O 体 系的高强 2#纤维，其 性能 为抗拉强度 3 2 0 0 MP a(浸 胶复丝

9、法)模量 8 5 GP a、密度 2 5 4 g c m 我们研制过 的基体主要 是各 种 环氧 树 脂、如双 酚 A 环氧，脂环族环氧、胺基多 功能环氧、缩水甘油酯环氧等；固化剂主要是 各种 芳香胺 和酸 酐 其 中较 好 的一种 配方 为 O3 A配方 其性能 与美 国 uCC公 司的 ERL A 一2 2 5 6配 方 大 体 相 当，所 不 同 的 是：0 3 A 配 方 为预浸渍配方 2 2 5 6配方 为湿法配方。浸 胶方 式有 两 种：干 法 预浸 胶 和 湿法 浸 胶 缠绕机有卧式 和立 式：有机械传动的 二轴 缠绕机，也有 微机控制 的四轴缠 绕机 一种远地 点发 动机壳体

10、的 性能如下：外径D(mm)8 4 0 容积V(m 1 0 2 9 壳体复合材料质量 Wc(k g)1 6 3 爆破 压力 P(MP a)1 2 3 维普资讯 http:/ 专家论坛 1 9 9 6年第十一、十二 期 壳体容积效率 P V Wc(k m)2 1 3 壳 体的质量精度和容 积精 度都 很 高，变异 系数在 1 以下 壳体经 水 压 检 验，声 发 射、超 声 波、X 光 探伤 轴 压和弯 曲静力试验：装药 壳 体经高 低温 循环、运输、振动和冲击 试验 再在地面旋转 台和真空模拟 台 进行点 火试验获得成功后 最后才提 供合格 的正 样供通信卫星使用=在廿多年研制纤维缠绕复台材料

11、 壳体过程 中，最深刻的体会是复合材 料 的内压强度 固然要依赖增强纤维的 强度来承载，但 如何最 大限度地发挥 增强纤维的强度潜力 要靠树脂 体系 的相互配 合 以往我们单凭 复合材料 力 学的混 合定 律和 纤 维缠 绕 力 学 的 网格 理 论”假 设 和 推 论，在 树 脂 的 作 用问题上估计不足，认为树脂 对复 合材料力学 的影 响是有限的要 提高 容器效率主要着 眼于增强纤 维的强度 指 标。但 对高 强玻 璃纤维体 系来说，要再提高 2 0 的强度是很 困难 的 我 们从大量 的容器爆破试验 中总结 发现 树脂体 系力学性能的优劣，在双轴 应 力 的 容器 中会 有 2 0 3

12、 0 的差 异 尤其是壳 体的封 头区决非网格理论 所假设 的只是一层薄膜应力，只受均 匀的拉力而不受剪力也决非基体对 强度不起作 用。我们在纤维、构件形 状、尺寸 以及缠绕层次 线型和工艺 都相 同的条件下 只是单一改变树脂 配方，考榜最终容器的爆 破压力，表 1和表 2分 别列 出用两种不 同 性能的 表 1两种 树脂 配方 性能 芝 0 1 B 0 3 A 浇铸体抗拉强度(MP a)6 5 7 3 l 1 5 1 2 5 浇铸体抗 压强度(M P a)1 8 0 2 0 0 3 0 O 3 2 0 浇铸体抗弯强度(MP a)l 1 O 1 2 O 1 9 0 2 1 0 浇铸 体 伸长率

13、()2 3 3 2 5 0 7 O 浇铸 体马 丁耐热()l 1 6 1 2 0 1 5 0 1 5 5 浇铸体 密度(g c m)1 2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 3 单向应力环层问剪切强度(MP a)4 5 6 5 6 5 8 0 单向应力环抗拉强度(MP a)1 6 0 0 1 8 0 0 1 7 0 O 1 9 0 0 含胶量(w)2 0 1 2 0 1 备 注 所用纤维均为国产高强I I 玻璃纤维 表 2 两种 配方 绕制的直径 4 8 0 mm 压 力容器爆破性能 爆破压力(MP a)容器特性系数(P V W k m)O1 B O 3 A 01 B O 3 A 1 8 4

14、 1 0 0 1 4 6 2 2 0 2 8 1 1 0 0 1 4 5 2 0 5 3 9 8 1 O 2 2 0 6 2 3 6 d 7 0 l 1 0 1 4 1 2 3 1 5 7 2 5 9 8 1 6 6 2 2 O 6 9 0 1 O 0 1 9 0 2 0 8 7 9 0 1 O 7 1 8 6 2 3 4 8 3 6 1 0 2 4 1 6 9 2 2 O CV l 1 1 3 9 1 4 1 3 4 9 备 注 所用纤维均 为国产高强 玻璃 纤维 环 氧树脂基 体配 方缠 缝 的 0 4 8 0 ram 压 力容 器 的爆破压力和容器特性系数(即容器效率)。从表 中可 以看

15、 出基体力学性 能对 容器爆破强 度 有 2 2 的影 响 对 容器效率 的影 响 为 3 0 左右。可 见对容器效率 的影 响是 明显的 其效 益相当于纤维强度提高 2 0 3 0 树脂基 体 的作用 并非 无关 紧要 而是举 足轻重，至关重 要。我们进 而对各类 未经 水压、经 水压和爆破 后 的容器进行解剖、观 察和分 析 对爆破 的位 4 置、形式 断口形貌的分析发现容器受压最 恶劣的 区域是前 后封头 封 头所 受的剪力是 很大的，材料 的层间剪切 强度 是一个非 常重 要 的指标 对封 头的破坏起着 支配作 用 我们 在随后研究芳纶 碳纤维等高强度 高 模 量纤 维缠绕 的复合材料

16、 容器 时叉进一 步证 实 了上述观点 为了更 深人 了解 纤维、树脂基 体 和界 面相之 间的关 系，更好 地指导配方研究和 控 制工艺过 程 我们 和高等院校的复合材料 力 学 专家共 同合作进行了涉及树脂基体作用机理 高 科技 纤 维 与 应 用 维普资讯 http:/】9 9 6年第 十一、十二期 专家论坛 的研 究；有 关 脱粘，分 层损伤 的起 园，扩展，积累和损 伤容限 的研 究；声发射监测和 预测强 度的 研究 以及 封 头补强 和修 补技术 的研究 等。二 喷管材料 喷管是 固体火箭发动 机的能量转换器 燃 烧室高 温高压燃气 的热 能及 压强能通过拉瓦尔 型喷管时转化为动能

17、并不断加速最后 以高速 从 喷 口排 出建 立推力 喷管一般位 于固体火 箭 发动 机的尾 部，通 常 由收敛段、噍 衬组件 扩散段及 外壳体等 几部分组成 固体发动机的 喷管 是非冷 却式 的结构，工作 环境极 其恶 劣 尤其是喉部要承受高达 3 5 0 0 K 左右 的高温 高 压 高速并 含有 一定量熔 融态颗粒 的二 相流燃 气 的机械 冲刷 化 学侵蚀和 热 冲击(热震)因此对 喷管材料 的绝 热性 能，抗侵蚀性能 机 械强度及 热物理 性能 的要 求很 高。在壳 体采用 高强 度高模 量纤维缠绕复 台材料 后，要 提高 固 体发 动机 的主要指标 质量 比，高冲质 比喷 管所需 的

18、材料就成 为发展 固体推进技术 的重大 关 键。采用单一 的耐高温材 料是难 以满足 综台 要求的 因此 只能 在喷管设 计上根据 其不同区 域 不 同的工作环境结合材 料本身的特点和烧 蚀机理，经过结构上台理选用新材料和合理设 计才能 满足 使 用要求 合理 的结构是用高强度 金属或增 强塑料做 喷管壳体、用高熔点金属或 优质碳素材 料做 耐热 热沉喉衬组件，用烧 蚀型增强塑料 为绝 热隔热材料组成 的复合结 构 喷 管 纵观各种耐高温材料 喉衬以多孔性钨浸 渗 低熔 点 金 属 银(或铜)的发 汗 冷 却材 料 和 碳 碳 复合材 料 为最佳。钨 渗银(铜)是 以 粉末 冶金方法 制成 多

19、孔骨架，再浸 渗低 熔点金 属作 为 发汗 剂的特种冷却喷管，实质上也 是一种金 属基 的复合材料，钨是增强基质，银(铜)是连续相基 体。在发动机工作时，因钨 骨架 的力学性 能好，能保持喉部的型面不被侵 蚀 而高 温下呈 熔融状 态的低熔点金属通过孔 隙迁移至喉 部 内表 面的附面层，起 发汗 蒸 发 冷却作用，达到保护 喉面的 目的。它的缺点 是金属钨 的密 度太高，达 1 9 3 g l c m J，不利于 提高 发动机 的质量 比。碳，碳复台材料是由碳纤维增强剂与碳基 高科 技 纤 维 与 应 用 体组成 的复 台材料。这种材料将碳纤维和石墨 巧妙地结台起来 兼有两 者的优异性能 碳

20、碳复台材料 是 唯一 能耐 1 8 0 0 以上 高温，其强度不降且略有上升的材料：它 密度 低、导热系 数高，热晦胀 系 数小其抗 热震，抗烧 蚀、抗侵蚀性 都很好，十分适于制作 固体 火箭发动机的喉衬。世界上绝大 多数从事航 天 固体火箭 发动机研 究的 国家 都选用碳 碳复 台材料 我国也不 例外 图 3是一幅典 型的 固 定式复台结构喷管 的简 图前述的近地点发动 机(E P KM)就采用此类结构的喷管。碳，碳复台材料所用 的增强骨架是 由碳纤 维 以各种纺织 技术制成 的预成 型体(毛坯)其 中 常 用 的是 多 向 编 织 体(如 3 D，4 D，5 D，7 D等)和针刺 3 D碳

21、毡。多 向编织工 艺不外 是三种途 径：柔性编，刚性编和 混台编，即柔软的碳纱 编织，拉挤 刚 性棒 的穿编、柔性及 刚性的混编。针刺织物也 是一种 3 D 织物，可 以用 碳布 叠层后再用 刚性 棒或软纱穿刺，也可 以由短碳纤维在 针刺机上 制成 平板 毡 截锥 毡套或整体毡。一般 中小尺寸 的喷管和燃烧室压力不 太高 的喷管采用整体毡 即可 满足要求，对于大尺寸 和高 性能发动机 则 以采 用多向编织体为好=前 述的两种 固体 火箭发动机的碳，碳喉村 就是采 用整体毡预成型体的，碳，碳复合材料 的密 度 为 1 8 5 g c mJ，碳 碳 复合材料 的致 密化工 艺，其实质是 用 高质

22、量的碳基 体填满碳纤维周围的空隙 以 获得结构致密、性能优良的碳 t 碳复合材料。其最常 用的工艺是 化学气相沉 积和液相 浸渍。液相浸渍工艺可用沥青和树脂作浸渍剂，按浸 渍 压力可分低压，中压和高 压浸 渍工艺。至于采用何种致密化工艺为好，可根据喉 衬部 件的结 构尺 寸、工作状 况(温度、压力 时 间等)和 效 益 综 合 考虑 一 般 高 密 度(】9 g l c m)的大型厚壁件采用热等静压机的 高压浸溃工艺较合适，密度在 1 9 g t c m3 以下 的喉 衬采用各种途径 的气相沉积工艺和中、低 压液相浸渍工艺就可以得到较好的制品。为解 决 目前致密化工艺 长周期、高成本的局 面，

23、应 探索研究短周期 低成 本碳 碳制品的工 艺方 法 5 维普资讯 http:/ 锥 图 3 典 型 的潜 入 固定喷 管 简图 三结束语 从上面的介绍中，我们不难看出固体火箭 发动机和复合材料之间的相互依赖相互促进 的关系两者有着不解之缘。1 固体发动机应用的复合材料几乎遍及 这类材料的各个门类，高聚合物基(树脂基和 橡胶基)、陶瓷基 金属基和碳基复合材料都 得到应用 2、复合材料所用的原材料都是该族内出 类拔萃者如 有机纤维中的 佼 佼 者(芳 纶)碳纤 维 中的强者(超 高强型)。采 用的复合工艺 和装备(如微 机控制的多轴 纤维缠绕 机，喉衬多向编织 机，高压热等 静压机等)也 羼最先

24、进的行列。3、固体发动机所用的复台材料不 仅品种 齐全，而且它在整个发动机消极质量中占的比 重也愈来愈高，前述两种发动机中复合材料的 质量约占总质量的8 0 左右 国外最先进的发 动机 中复合材料 占 9 4 能 且还呈上 升趋势 所以我们说全复合材料化的固体火箭发动机是 一点也不过分 的。作者简介：林德春研究员，中国航天 工业总公司第四研究院总工程师 编织结构复合材料产品WC F 管 从 科 研 到 产 业 化 的 体 杨桂 厶 石T&；?(中华自行车(集团)公司复合材料公司深圳龙华第四工业区5 1 8 1 0 9)I、WC F自行车介绍 8 0年代末碳纤维复合材料 自行车作为高 档赛车在自

25、行车行业中得到了发展。其形式 有全碳纤维复合材料车架 自行车和复合材料管 与铝合金压铸接头枯接车架自行车。全复合材 料自行车的车架成本高(成本约 2 0 0 美元)，市场需求量小所 以形成不了大批量生产经 济效益不显著。虽然铝合金压铸接头复合材料 自行车车架的材料成本较低但是不同的车 型需要不同的铝接头 而 自行车车型的 品种 多、变化大、制作压铸铝接头的模具数量也随 6 之增大。这样，由于模具的成本高带来车架的 成本增高因此这种复合材料和铝合金接头 粘接的车架也难 以形成批量生产。I 9 9 2 年6 月中华自行车(集团)公司复 合材料公司自主立项，研究开发我们自己的复 合材料 自行车。在进行国内外有关情况调查研 究的基础上对自行车的力学性能进行了深入 的分析研究并且对运动员的骑行情况进行了 力学模拟确定了基本开发目标：在强度和刚 度要求高的接头部位使用金属焊接接头其他 部位用碳纤维复合材料管于是 WC F管就应 高科技纤维 与应 用 一 维普资讯 http:/