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圖1 運(yùn)載火箭流罩結(jié)構(gòu)
衛(wèi)星整流罩是運(yùn)載火箭最重要的艙體之一，具備良好的氣動(dòng)外形、較輕的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和可靠的分離功能，主要作用是在運(yùn)載火箭臨射和飛行過(guò)程中維持氣動(dòng)外形，保護(hù)罩內(nèi)有效載荷不受外界自然環(huán)境和氣動(dòng)沖刷的影響，在飛出大氣層后從火箭上可靠分離。圖1為運(yùn)載火箭整流罩分離狀態(tài)，整流罩位于運(yùn)載火箭前端，在飛出大氣層過(guò)程中保護(hù)運(yùn)載火箭內(nèi)部衛(wèi)星等精密儀器不受熱流的侵蝕，當(dāng)運(yùn)載火箭飛出大氣層后，整流罩不再起作用，此時(shí)，為減輕火箭重量，整流罩即與運(yùn)載火箭分離 。
為保證分離前罩內(nèi)有效載荷與外界的數(shù)據(jù)傳輸，整流罩一般具有透電磁波的功能。目前國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星整流罩主要有金屬鉚接結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)兩大類，金屬鉚接結(jié)構(gòu)常用材料為鋁合金、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為具有透波功能的樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料 。樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造的整流罩，可以有效減輕20%－30%的結(jié)構(gòu)重量，提升了火箭的運(yùn)載能力，在相同載重下，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，從而降低了火箭發(fā)射成本;此外，樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料較金屬材料具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)和制造，減少了結(jié)構(gòu)零部件的數(shù)量，提高了結(jié)構(gòu)可靠性;樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料優(yōu)異的耐腐蝕、耐濕熱、 耐輻射和抗疲勞等特性，提高了整流罩結(jié)構(gòu)的使用壽命，從而為整流罩的回收提供了可能。
本文介紹了運(yùn)載火箭整流罩常用材料，對(duì)國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭整流罩制造材料和制造工藝研究情況進(jìn)行了梳理，基于未來(lái)我國(guó)運(yùn)載火箭的研制需求、對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出我國(guó)新一代運(yùn)載火箭整流罩結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、設(shè)計(jì)制造一體化、研制高效化、重復(fù)使用化和低成本化等5個(gè)方面。
整流罩常用材料
表1 整流罩常用纖維性能
運(yùn)載火箭整流罩一般為面板蜂窩夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)，是蒙皮與蜂窩芯材通過(guò)膠膜組成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。面板蜂窩夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高、平面度高、隔音、降噪、減震、工藝性強(qiáng)和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。包括面板和蜂窩夾芯兩部分， 面板一般為纖維復(fù)合材料，具有抗沖擊性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)和耐熱性能優(yōu)異的特點(diǎn);蜂窩夾層目前先進(jìn)復(fù)合材料常采用玻璃鋼蜂窩、鋁蜂窩、Nomex紙蜂窩、泡沫蜂窩等，具有低導(dǎo)熱系數(shù)，力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，滿足整流罩隔熱要求 。
2.1 面板材料
面板結(jié)構(gòu)為整流罩提供氣動(dòng)外形，面板材料為樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料，由基體材料和增強(qiáng)材料組成。樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫，具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透波功能，是整流罩的理想材料，本章梳理了國(guó)內(nèi)外常用的整流罩纖維材料和樹(shù)脂基材料。
2.1.1 纖維材料
樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比模量高的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外常用作整流罩面板的高性能增強(qiáng)材料包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等，常用幾種纖維材料性能如1所示。
碳纖維具有許多優(yōu)良性能，軸向強(qiáng)度和模量高，密度低，無(wú)蠕變，耐疲勞性好，熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能。已在航空航天領(lǐng)域大量應(yīng)用;玻璃纖維是透波整流罩蒙皮最常用的增強(qiáng)材料，具有強(qiáng)度高、介電性能優(yōu)異、吸濕性小以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。石英玻璃纖維是所有玻璃纖維中介電性能最好的，其介電性能在較寬的頻帶范圍內(nèi)基本不變化，可實(shí)現(xiàn)整流罩的寬頻透波性，且石英纖維高溫下透波性能優(yōu)異，目前國(guó)外先進(jìn)整流罩大多已采用石英纖維作為增強(qiáng)材料;芳綸纖維是一種高科技特種纖維，具有高強(qiáng)度和高模量，優(yōu)異的耐熱性能和阻燃性能，應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，如芳綸防彈衣，頭盔等，但芳綸纖維易吸潮這一特性影響介電性能，限制了在透波整流罩領(lǐng)域的應(yīng)用 。
2.1.2 樹(shù)脂材料
整流罩一般采用高性能熱固性樹(shù)脂作為面板基體材料，包括環(huán)氧樹(shù)脂(EP)、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂(BMI)和氰酸酯樹(shù)脂(CE)等 。最常用的樹(shù)脂材料為環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂熱力學(xué)性能優(yōu)異、工藝性強(qiáng)、電氣性能優(yōu)良，一直是復(fù)合材料樹(shù)脂基體的主體，環(huán)氧樹(shù)脂的缺點(diǎn)是耐沖擊損傷能力差，在濕熱環(huán)境下力學(xué)性能下降明顯，近年來(lái)，研究人員一直致力于向環(huán)氧體系中加入柔性基團(tuán)改善環(huán)氧樹(shù)脂的韌性并提高耐熱性。雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)樹(shù)脂作為芳香族聚酰亞胺材料，具有優(yōu)異的耐高低溫、高強(qiáng)高模、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)與損耗、低真空揮發(fā)份、低揮發(fā)可凝物等優(yōu)點(diǎn)，又有類似于環(huán)氧樹(shù)脂較易加工的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天領(lǐng)域，但缺點(diǎn)是熔點(diǎn)高、溶解性差、脆性大 。氰酸酯樹(shù)脂(CE)是二十世紀(jì)八十年代開(kāi)發(fā)的一類新型樹(shù)脂，具有低介電、耐高溫、耐濕熱等優(yōu)點(diǎn)，主要用于高性能印刷電路板和高性能透波結(jié)構(gòu)材料，其缺點(diǎn)是固化后脆性較大，韌性較差。為增加樹(shù)脂體系韌性，BMI和CE一般使用增韌改性后混合樹(shù)脂體系作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基體，改性后的BMI和CE樹(shù)脂體系在保證優(yōu)良耐濕熱性能和介電性能的同時(shí)，可提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊強(qiáng)度。
2.2 夾層材料
整流罩夾層結(jié)構(gòu)對(duì)面板材料起著支撐作用，其性能參數(shù)很大程度上影響衛(wèi)星整流罩透波段的力學(xué)性能。夾芯材料應(yīng)滿足以下要求:低密度、平壓模量高、剪切模量高、彎曲強(qiáng)度高和介電性能優(yōu)異等，滿足上述要求的整流罩夾層材料主要有以下四種:玻璃鋼蜂窩、鋁蜂窩、Nomex紙蜂窩和PMI (聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫蜂窩。
玻璃鋼蜂窩減重效果不明顯且力學(xué)性能較差， 在航空領(lǐng)域已逐漸被Nomex紙蜂窩和PMI泡沫蜂窩代替;鋁蜂窩和碳纖維面板結(jié)合會(huì)引起電化學(xué)腐蝕，不滿足航天器苛刻環(huán)境下對(duì)于復(fù)合材料耐腐蝕要求;Nomex紙蜂窩由芳綸浸漬酚醛樹(shù)脂制成， Nomex蜂窩和碳纖維面板結(jié)合不會(huì)引起電化學(xué)腐蝕，剪切模量大于PMI硬質(zhì)泡沫，成本較低、工藝性良好，大量應(yīng)用于機(jī)身、連接件等部位，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)在很多力學(xué)性能上優(yōu)于其他蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，是一種高剛性硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度達(dá)0.5MPa以上，使用密度低于100kg/m³，熱變形溫度可達(dá)240℃，與EP、BMI、CE等熱固性樹(shù)脂具有良好的界面粘結(jié)強(qiáng)度，作為夾層結(jié)構(gòu)不易與面板界面脫粘，且PMI結(jié)構(gòu)透波性能良好，作為整流罩結(jié)構(gòu)材料，在滿足載荷條件的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)寬頻透波，國(guó)外已大量應(yīng)用在整流罩上，國(guó)內(nèi)多用于民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件，新一代運(yùn)載火箭－長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭整流罩前錐采用了國(guó)產(chǎn)的PMI夾層結(jié)構(gòu)，降低了衛(wèi)星發(fā)射成本，應(yīng)用前景廣闊。
國(guó)內(nèi)整流罩材料發(fā)展現(xiàn)狀
為滿足未來(lái)我國(guó)運(yùn)載火箭等航天器整流罩發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)各個(gè)高校及科研院所都以纖維復(fù)合材料改性為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制高性能、低成本的纖維復(fù)合材料，增強(qiáng)了運(yùn)載火箭進(jìn)入空間的能力，降低了運(yùn)載火箭的發(fā)射周期和成本。
在運(yùn)載火箭整流罩樹(shù)脂基材料研究方面，中科院化學(xué)研究所楊士勇等開(kāi)發(fā)出了包括第一代耐316℃、第二代耐371℃、第三代耐426℃等系列聚酰亞胺樹(shù)脂基體，并針對(duì)耐高溫碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料發(fā)展了包括真空熱壓罐工藝、真空高溫ＲTM工藝、反應(yīng)性熱模壓工藝等不同成型方法。賀國(guó)文分別對(duì)聚酰亞胺復(fù)合材料的制備和界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了微觀分析研究，為聚酰亞胺復(fù)合材料的在飛行器整流罩上的應(yīng)用提供了參考。吉林大學(xué)的饒先華開(kāi)展了高性能苯乙炔基封端的聚酰亞胺樹(shù)脂基體及其碳纖維復(fù)合材料研究工作，為耐高溫聚酰亞胺碳纖維復(fù)合材料整流罩的發(fā)展開(kāi)拓了視野。航天材料及工藝研究所研制出了石英增強(qiáng)的聚酰亞胺復(fù)合材料，可以在370℃的高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用，而且該材料具備了較低的介電常數(shù)和介電損耗，性能穩(wěn)定，具有良好的介電性能和力學(xué)性能， 可以選為透波/高承載的功能材料。張醒等設(shè)計(jì)的全透波衛(wèi)星整流罩采用玻璃纖維面板－芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了全向平均90%透波率的高效透波能力，并在減重超過(guò)20%的情況下，承載能力仍滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)高承載和全向透波功能，并在飛行試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。哈爾濱玻璃鋼研究院曲廣巖采用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料共固化工藝設(shè)計(jì)出一種輕質(zhì)高強(qiáng)、厚度可控的復(fù)合材料整流罩結(jié)構(gòu)，克服了大型一體化成型技術(shù)帶來(lái)的模具設(shè)計(jì)難題，高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料整流罩在保證大尺寸的同時(shí)可維持氣動(dòng)外形，保護(hù)罩內(nèi)有效載荷不受外界環(huán)境影響。
國(guó)外整流罩材料發(fā)展現(xiàn)狀
在運(yùn)載火箭整流罩材料設(shè)計(jì)和制造方面以美國(guó)的技術(shù)最為先進(jìn)，整流罩材料包括無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料等，成型工藝包括真空袋法、模壓法、澆灌法等，并擁有齊備的整流罩性能檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)手段、真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)的風(fēng)洞技術(shù)條件 。上世紀(jì)70年代美國(guó)研制出Duroid5870復(fù)合材料，同時(shí)還完成了整流罩熱加載、高溫電性能、燒蝕和抗雨蝕等試驗(yàn)，并研制了用于電性能測(cè)試的整流罩自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 。目前，耐高溫有機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料(HTPMCs)體系中，美國(guó)研發(fā)的PI樹(shù)脂(PMＲ－15與PMＲ－50)已成為航天工業(yè)的基礎(chǔ)材料，大大推動(dòng)PI復(fù)合材料在大型結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用并降低成本。石英纖維的優(yōu)異介電性能，易于實(shí)現(xiàn)寬頻透波，國(guó)外運(yùn)載火箭整流罩大多已選用由石英纖維復(fù)合材料制備，美國(guó)已研制出石英纖維增強(qiáng)PI樹(shù)脂復(fù)合材料整流罩結(jié)構(gòu)，使用溫度高于538℃。俄羅斯擁有的世界領(lǐng)先水平的復(fù)合材料制備技術(shù)，在研制應(yīng)用先進(jìn)耐高溫材料的同時(shí)，發(fā)展了適用于寬頻帶整流罩和電磁/紅外雙模整流罩的新型復(fù)合材料，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)整流罩的加工和制造技術(shù)研究，著重關(guān)注整流罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣性能的設(shè)計(jì) 。俄羅斯發(fā)展的改性酚酸樹(shù)脂的工藝性能和透波性能均達(dá)到非常高的水平，其最高使用溫度達(dá)到600℃，已在寬頻整流罩上得到成功應(yīng)用。
結(jié) 語(yǔ)
盡管國(guó)內(nèi)在蜂窩夾層復(fù)合材料整流罩的制備技術(shù)上取得了大量的研究成果，但纖維復(fù)合材料工藝性不佳、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性不夠等原因，限制了其在航空航天等領(lǐng)域上的應(yīng)用，隨著制件形狀復(fù)雜程度的增加，性能要求及減重要求不斷提高，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)纖維復(fù)合材料成型工藝、蜂窩夾層材料成型工藝以及其膠膜的研究，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性;新一代運(yùn)載火箭對(duì)整流罩結(jié)構(gòu)提出整體高效透波、質(zhì)輕、高承載等要求，研究人員需加強(qiáng)對(duì)介電性能優(yōu)異的樹(shù)脂材料和纖維材料進(jìn)行選擇分析與試驗(yàn)驗(yàn)證;隨著我國(guó)航空航天的快速發(fā)展，高性能整流罩對(duì)纖維和樹(shù)脂提出更高要求，故降低整流罩纖維和樹(shù)脂等原材料的設(shè)計(jì)制造成本，加強(qiáng)對(duì)整流罩的回收應(yīng)用，縮短運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，提高運(yùn)載火箭發(fā)射成功率也是科研人員的目標(biāo)。
綜上所述，運(yùn)載火箭整流罩將朝著結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、設(shè)計(jì)制造一體化、研制高效化、重復(fù)使用化、 低成本化等方向發(fā)展。
于德潤(rùn)1，張松1，陳浩然1，2，荊佳奇2，曲廣巖2
(1.火箭軍裝備部駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室，哈爾濱150028;
2.哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，哈爾濱150028)