复合材料在航空航天领域的应用（第六部分）

固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平 的重要指标之一。在固体发动机研制及生产中，尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标，目前己拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展；同时，材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。

固体火箭发动机的壳体作为一个薄壁压力容器，里面装有绝热层和固体推进剂。壳体材料的设计取决于它所承受的载荷、推进剂燃烧产生的内压，以及它表面承受的惯性力和空气动力。发动机的喷管与壳体联接，把燃烧室中的高温、高压、高速燃气热能转变为动能而产生所需推力。由于发动机的喷管更多的暴露于热环境中，喷管区的设计必须能够承受推进剂燃烧产生的高温。40年前，喷管的温度仅有540～1100℃，而今天的喷管温度已高达3300～3700℃以上。与发动机壳体的设计不同，喷管材料的设计更注重材料经受剧烈温度波动的能力，而不是材料本身的基本强度。图47-图51简要说明了先进复合材料在国外典型战略武器固体火箭发动机中的应用：

图47 先进复合材料在战略导弹固体火箭发动机上的应用

图48先进复合材料在战略导弹发动机上的应用

图49 先进复合材料在战略导弹发动机上的应用

图50 先进复合材料在战略导弹发动机上的应用

图51 先进复合材料在战略导弹发动机上的应用

此外，复合材料以其质轻的优势替代传统的金属材料获得广泛应用，典型的有复合材料发射筒、网格结构及各种压力容器。

国外复合材料导弹发射筒在战略、战术型号上广泛采用，如美国的战略导弹MX导弹、俄罗斯的战略导弹“白杨Ｍ”导弹均采用复合材料发射筒。由于复合材料发射 筒相对于金属材料而言，结构重量大幅度减轻，使战略导弹的机动灵活成为可能。在战术导弹领域，复合材料导弹发射筒的应用更加普遍。

网格结构的研究早在20世纪70年代就己开始，目前己有多种类型网格结构在航空航天领域用作战略导弹级间段，空间飞行器舱体、箭与卫星的对接框等不同部 件，如1997年美国空军菲利普实验室以自动化缠绕技术制作网格结构承力部件应用于飞机改制，加州复合材料中心将复合材料网格应用于航空喷气发动机，日本 研制的炭/环氧复合材料网格结构作为第三级发动机与旋转平台的级间段结构成功地应用在H1火箭上，见图52和图53。

图52阿里安-5助推发动机碳纤维壳体

图53 火箭助推器壳体

3.2.2结构/功能一体化材料

在国外动力系统喷管部件已趋向全炭/炭化，入口段与喉衬采用整体式多维炭/炭编织物，出口锥用炭/炭材料或炭布带缠绕制成，延伸喷管技术相当成熟。喉衬材料方面，国外高性能惯性顶级固体发动机、星系固体发动机、战略导弹固体发动机，几乎全部采用3D、4DC/C复合材料喉衬。炭/炭扩张段主要应用于宇航发 动机及战略导弹上面级发动机。

图54 boeing Delta-3发射器RL10B-2发动机喷管

图55 阿里安-5液体运载火箭LRM整体喉衬出口锥

图56 火箭发动机喷管喉衬图例1

图57 火箭发动机喷管喉衬图例2

国内固体发动机壳体已成功采用玻璃纤维及芳纶纤维。在PBO纤维表面处理、PBO纤维适应的树脂配方研究等工作都已取得了较大的进展，

图58 系列芳纶纤维复合材料壳体

图59 碳纤维复合材料壳体

国内在轻质复合材料应用上也开展了相关研究。西安航天复合材料研究所及哈尔滨玻璃钢制品研究所进行了某型号导弹发射筒的研制，己成功地进行了多种地面试验和实弹发射考核。在飞航导弹复合材料发射筒研制方面，航天科工集团三院研制了长5.45m，内径502mm的导弹贮运发射筒；西安航天复合材料研究所、哈尔滨玻璃钢制品研究所等单位进行了网格结构材料初步应用研究，西安航天复合材料研究所同时针对网格结构缠绕成型的特点，开发了缠绕软件。

图60 网格结构

在结构/功能一体化材料方面，西安航天复合材料研究所于70年代末期建立起了X650mm的毡基炭/炭喉衬研制生产线，80年代初又掌握了4D炭／炭喉衬工艺技术，通过工艺攻关，成功地进行了DFH-4卫星平台用50L炭纤维高压复合材料气瓶缠绕研制工作，并己进入正样阶段。此外，西安航天复合材料研究所还成功研制了宇航员生命保障系统用容器和多种环形及异形容器，在上述研究的基础上，将相关产品已应用到卫星、运载火箭和军用飞机上，具有十分重要的意义。

图61 新型结构复合材料构件图例

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