当前位置: 无码日本有码中文字幕 > 深爱丁香五月婷婷 > 固体火箭发动机壳体复相符原料钻研挺进

固体火箭发动机壳体复相符原料钻研挺进

原标题:固体火箭发动机壳体复相符原料钻研挺进

李莹新 莫纪安 王秀云 郭亚林

(西安航天复相符原料钻研所,西安 710025)

提要:从添强纤维以及基体树脂两方面介绍了固体火箭发动机壳体复相符原料的钻研挺进情况。添强纤维主要包括玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维;基体树脂主要包括环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂和聚三唑树脂的钻研情况。

关键词:壳体;复相符原料;固体火箭发动机

1 序文

固体火箭发动机具有组织浅易、做事郑重、行使浅易、机动性益等益处,在航天运载、航天器,稀奇是当代导弹周围得到普及行使[1]。壳体是固体火箭发动机装填固体推进剂的贮箱,也是推进剂的燃烧场所,同时照样箭体或弹体的一片面。壳体除承受高温、高压燃气流的内压和载荷的轴压外,还要承受弹(箭)体其它死板载荷的作用,这就请求壳体具有卓异的强度与刚度。另外,壳体的组织质量对导弹或火箭而言是消极质量,请求壳体的组织质量要尽能够幼[2~4]。壳体行为一栽高压容器,清淡采用容器特性指数 PV / W 来衡量壳体的性能,其中, P 为容器的爆破压强, V 为容器的容积, W 为容器的质量。制备高 PV / W 的高性能壳体,所行使的壳体原料答具有高的比强度、比模量和良益的成型工艺性 [3,4]。

早期的固体火箭发动机壳体主要以已足强度为主意,选用强度较高金属原料。例如:美国“北极星”A1发动机壳体原料为M-255钢,“民兵Ⅰ”发动机壳体为D6AC钢;欧洲阿里安5运载火箭的捆绑助推发动机P230壳体原料为48CD4-10钢;吾国长征一号运载火箭第三级发动机壳体也为相符金钢壳体[5,6]。固然金属原料在设计和行使方面都有成功的经验,但是金属密度较大,比强度矮(AISI 1045钢的比强度为0.07GPa·(g·cm -3 ) -1 ) [3],导致金属壳体惰性质量大,高强度钢壳体的 PV / W 仅为5~8km,钛相符金壳体的 PV / W 约为6.7~11km [7],难以已足高性能火箭、导弹的研制需要。先辈复相符原料具有高比强度、高比模量、可设计性、耐疲劳、抗冲击、耐侵蚀等益处[8],体面了固体发动机壳体高承载能力、矮组织质量的技术需要,已普及用于研制各类固体火箭发动机壳体。导弹、火箭在大气层中飞走过程中,发动机壳体外观原由气动炎效答会产生较高的温度。当温度超过壳体原料的平常行使温度时,必须采取防隔炎措施,这会带来壳体惰性质量的增补[9]。采用耐高温的壳体原料是研制高性能先辈导弹、火箭的有效途径。本文从添强纤维和基体树脂两方面介绍了用于固体火箭发动机壳体的复相符原料技术钻研挺进情况。

2 添强纤维钻研挺进

壳体复相符原料的比强度和比模量主要来源于添强纤维[3],高性能添强纤维被开发并行使于固体火箭发动机复相符原料壳体[10]。自二十世纪六十年代至今,在保证行使强度的前挑下,以降矮壳体的惰性质量(挑高壳体的 PV / W )为主意,用于壳体复相符原料的添强纤维主要包括玻璃纤维、有机纤维以及碳纤维。

2.1 玻璃纤维

用于固体火箭发动机壳体的玻璃纤维主要为高强玻璃纤维(S玻璃纤维)[9],其特点是高强度(拉伸强度4.58GPa)、矮密度(密度2.5g·cm -3 )、高比强度(1.8GPa·(g·cm -3 ) -1 )、耐高温、阻燃、复相符原料纤维强度转化率高等 [11,12]。玻璃纤维/环氧树脂复相符原料壳体的 PV / W 可达20~29km,比金属壳体添大了2~4倍 [13]。美国20世纪60年代研制的北极星导弹采用玻璃纤维复相符原料壳体;法国“海神”导弹发动机和M4导弹的402V发动机为玻璃纤维复相符原料壳体[9]。1990年吾国SPTM-14发动机是国内始次始末飞走考核的上面级发动机玻璃纤维复相符原料壳体;“开拓者一号”(KT-1)固体幼运载火箭第二级和第三级发动机也为玻璃纤维复相符原料壳体[5]。玻璃纤维比强度较高,但是拉伸模量较矮(85GPa)。随着对发动机质量比请求的挑高,壳体设计的刚度请求亦不息挑高,玻璃纤维的行使就受到了节制。

2.2 有机纤维

用于固体火箭发动机壳体的有机纤维主要有两类:聚芳酰胺纤维和聚苯并二噁唑纤维。

聚芳酰胺纤维主要包括美国的Kevlar系列、俄罗斯的Apmoc和吾国的芳纶系列。这类纤维具有高强度(3.45GPa以上)、高模量(120GPa以上)、矮密度(幼于1.47g·cm -3 )、高比强度(Kevlar-49纤维和Apmoc纤维的比强度别离达到2.66GPa·(g·cm -3 ) -1 和3.0GPa·(g·cm -3 ) -1 以上)、耐高温等益处,是较理想的发动机壳体添强原料 [14],Kevlar-49/环氧树脂复相符原料壳体的 PV / W 升迁到了26~36km [7]。常用的聚芳酰胺纤维性能见外1[7,11]。

外1 聚芳酰胺纤维性能

美国在七十年代就将Kevlar-49纤维复相符原料用作三叉戟Ⅰ(C4)导弹的三级发动机、三叉戟Ⅱ(D5)导弹的Ⅲ级发动机、战术导弹“潘兴Ⅱ”的两级发动机壳体组织原料;俄罗斯将APMOC纤维复相符原料用作SS-24,SS-25及白杨M(即SS-27)等洲际固体导弹三级发动机壳体组织原料。

聚苯并二噁唑纤维(PBO纤维)的基本性能见外2,其益处是具有卓异的力学性能(拉伸强度达到5.8GPa)的同时具有较矮的密度(1.56g·cm -3 ),比强度达到3.7GPa·(g·cm -3 ) -1 ,美国布伦斯维克(Brunswick)公司行使5.5GPa级PBO纤维缠绕成型6台 Φ 250mm的球型高压容器,并进走了综相符实验,测得容器爆破压强为91MPa,纤维答力为4.73GPa,纤维强度转化率为86%,复相符原料壳体的 PV / W 高达65.2km [3]。PBO纤维的弱点是与基体树脂大香蕉伊人久伴2粘结性能较差,复相符原料压缩强度矮[11]。所以,PBO纤维复相符原料在上面级固体火箭发动机壳体研制方面有良益的行使前景。

外2 PBO纤维性能

有机纤维的主要弱点除了与基体树脂的大香蕉伊人久伴2结相符性较差、抗压性能矮之外,其耐紫外线辐照、耐湿性等也较差。

2.3 碳纤维

用于固体火箭发动机壳体的碳纤维主要为高强中模型碳纤维,几栽高性能碳纤维性能如外3所示[15]。其中,IM7碳纤维的比强度为3.27GPa·(g·cm -3 ) -1 ,比模量为152GPa·(g·cm -3 ) -1 ,T1000碳纤维比强度能够达到4.0GPa·(g·cm -3 ) -1 ,比模量为167GPa·(g·cm -3 ) -1 。碳纤维与高强玻璃纤维相比,比模量高3~5倍;与Kevlar49纤维相比,碳纤维的比模量高1.5~4倍。碳纤维/环氧树脂复相符原料压力容器的 PV / W 达到41~50km [7],所以,碳纤维在先辈武器固体火箭发动机壳体上得到普及行使[15~20]。

外3 碳纤维性能

日本的M-5火箭发动机壳体行使了IM-7碳纤维。H-2A火箭助推器行使T1000碳纤维;美国三叉戟Ⅱ(D5)导弹的I、II级发动机壳体行使了IM7碳纤维。STARS箭靶第三级发动机(Orbus1发动机)行使了T800碳纤维,纤维强度变化率为87.4%,壳体的 PV / W 为49km,与相通尺寸的Kevlar纤维壳体相比轻37.5%,与钛相符金壳体相比轻83%。美国陆军研发的幼型动能导弹(CKEM)的壳体行使了T1000 /环氧树脂复相符原料;法国M51导弹发动机壳体行使了IM7碳纤维复相符原料;欧空局研制的织女星火箭,Ⅰ级发动机P80壳体行使了IM7碳纤维,Ⅱ级发动机Zefiro23以及Ⅲ级发动机Zefiro9的壳体行使的是T1000G纤维/UF3325树脂复相符原料 [21,22]。吾国T700级碳纤维已经完善工程化钻研并开起进走行使钻研, Φ 150mm压力容器的 PV / W 为37.5km;T800级碳纤维处于工程化钻研阶段,并取得技术性突破;T1000级碳纤维开展有关的基础钻研做事 [23~25]。

T1000等高性能碳纤维是固体火箭发动机复相符原料壳体性能卓异的添强原料。

3 复相符原料基体树脂的钻研挺进

固体火箭发动机壳体复相符原料行为组织原料,从以承载为主要功能向承载与耐炎兼顾的组织功能一体化倾向发展,以体面新式先辈导弹、火箭技术的发展需要。基体树脂的性能对复相符原料的成型工艺性、耐炎性、耐老化性及耐化学侵蚀性等性能有决定性的影响[3]。挑高壳体复相符原料的耐炎性现在主要始末挑高基体树脂的耐炎性来实现。基于复相符原料壳体缠绕成型工艺的特点,用于固体火箭发动机壳体复相符原料钻研与行使的基体树脂主要有环氧树脂、氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂和聚三唑树脂。

3.1 环氧树脂

环氧树脂固化物具有卓异的力学性能、良益的成型工艺性、配方设计的变通性及众样性等益处[19],是固体火箭发动机壳体复相符原料的主要基体树脂。外4是美国开发的一些固体火箭发动机壳体复相符原料所用湿法缠绕环氧树脂配方的构成、基本性能及其行使情况[3,26]。

外4 典型环氧树脂体系及其浇注体性能

环氧树脂还普及用于美国民兵3导弹Ⅲ级、MX导弹、矮子导弹发动机壳体,俄罗斯布拉瓦导弹壳体,法国M51导弹壳体,欧洲织女星火箭Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级发动机壳体(UF3325环氧树脂)以及吾国的各类固体火箭发动机复相符原料壳体等。

环氧树脂的主要弱点是耐炎性较矮,空间环境体面性差,尺寸安详性不益,力学性能随环境温度提高展现较大水平的衰减等[27~29]。

3.2 氰酸酯树脂

氰酸酯树脂具有良益的力学性能、较高的耐炎性(固化物的玻璃化温度在240~290℃)、卓异的尺寸安详性、卓异的介电性能、与环氧树脂相近的成型工艺性等益处[3],在耐高温组织复相符原料基体树脂的行使方面潜力很大[30],可行使于航空航天周围[31~35]。美国陆军飞航导弹钻研开发工程中央(AMRDEC)为了改进纤维缠绕导弹壳体组织的炎性能以体面导弹制造计划,研制了粘度适中、适于室温湿法缠绕技术的高温氰酸酯树脂配方,制备了T1000GB/氰酸酯 Φ 762mm复相符原料压力容器,最高固化温度为260℃。复相符原料容器的水压爆破压强别离为33.3MPa和36.7MPa,T1000GB碳纤维环向发挥强度别离为4900MPa和5500MPa,强度转化率别离为78%和86%,损坏部位都在筒身段。国内赵凯等 [36]开发的氰酸酯树脂配方可在室温下湿法缠绕成型。遵命双酚A型氰酸酯树脂(CY-1):双酚E型氰酸酯(CY-9)=50:50配比制得的氰酸酯树脂,在25℃下的粘度为800cps,且有较长的试用期,正当湿法缠绕工艺。行使该配方湿法工艺缠绕制备出的T700复相符原料NOL环的拉伸强度为2220MPa,单向板的玻璃化变化温度为267.8℃,200℃高温下的强度保留率达到60.4%。

氰酸酯树脂的主要弱点是易结晶,树脂单体熔融温度(80~120℃)较高。这对复相符原料的制备带来难得,需进走改性钻研以升迁氰酸酯树脂的适用性。

3.3 双马来酰亚胺树脂

双马来酰亚胺(BMI)树脂具有耐高温、耐湿炎等益处,已普及行使于制备耐高温复相符原料主承力组织[37]。美国雷锡恩导弹编制公司(RASC)选用BMI树脂研制超声速巡航导弹,就是行使BMI树脂的添工性,优于聚酰亚胺树脂的可重复性,相对较矮的成本,在湿环境下不息行使温度超过204℃,最大承受温度超过427℃等益处,可已足超音速AIM导弹短期、刹时温度高于316℃的行使请求。采用RTM和纤维缠绕工艺制成了CF/BMI复相符原料弹体。国内惠雪梅等[38]始末改性双马树脂得到一栽液态、无溶剂型双马树脂体系,适用于纤维湿法缠绕工艺。行使该改性双马树脂体系湿法缠绕工艺制备出的T700碳纤维复相符原料层压板的纵向拉伸强度为1668MPa,纵向曲曲强度为1590MPa,层间剪切强度为73.3MPa。该钻研为双马树脂行为固体火箭发动机壳体复相符原料的基体原料挑供了新的钻研倾向。

双马来酰亚胺树脂的主要弱点是矮沸点溶剂中消融性差,甚至不消融,导致制备的预浸料起伏性、铺敷性和黏性较差,改善双马树脂的消融性是现在国内外钻研的一个重点。此外,双马来酰亚胺树脂固化成型时需施添肯定的压力和较高的温度,这节制了该树脂行为壳体复相符原料的行使。

3.4 聚三唑树脂

聚三唑树脂是华东理工大学近年开发的一栽可缠绕成型的,在较矮温度固化,具有较高耐炎性的树脂[39]。例如牌号为PTA2的聚三唑树脂具有良益的消融性,80℃就开起固化,玻璃化变化温度为250℃,炎分解温度为350℃。T700碳纤维添强PTA2树脂单向复相符原料的曲曲强度和曲曲模量别离为1690MPa和136GPa。180℃的曲曲强度和模量保留率别离为64.6%和90.4%,外现出良益的耐炎性。T700碳纤维添强PTA2树脂复相符原料 Φ 150mm容器的爆破压强达到37.9MPa, PV / W 为41.7km。 Φ 480mm容器的爆破压强达到20.0MPa, PV / W 为38.5km [40]。可见,聚三唑树脂有看用作耐高温的航天组织复相符原料构件,如高速飞走器的壳体及耐高温发射筒等[41~45]。

4 终结语

壳体是固体火箭发动机的主要构成片面,采用高比强度、高比模量、可缠绕成型的复相符原料研制高性能壳体,是挑高固体发动机性能的有效途径。新式轻质高强纤维的开发与行使钻研和高力学性能、高耐炎性、良益成型工艺性的组织功能一体化基体树脂的钻研与行使是固体火箭发动机壳体复相符原料的一个主要发展倾向。

参考文献

1 《世界导弹与航天发动机大全》编辑委员会. 世界导弹与航天发动机大全[M]. 北京:军事科学出版社,1999

2 杨月成. 火箭发动机理论基础[M].西安:西北工业大学出版社,2010

3 崔红,王晓洁,闫连生. 固体火箭发动机复相符原料与工艺[M]. 西安:西北工业大学出版社,2016

4 丘哲明. 固体火箭发动机原料与工艺[M]. 北京:宇航出版社,1995

5 高巨龙,于锦生. 复相符原料发动机壳体在航天运载中的行使[J]. 纤维复相符原料,2005,22(3):53~54,60

6 Mazumdar S K. Compositesmanufacturing: materials, product, and process engineering [M]. New York:CRC Press, 2002

7 王克秀. 固体火箭发动机复相符原料基础[M]. 北京:宇航出版社,1994

8 赵英民,刘瑾. 高效防炎隔炎涂层行使钻研[J]. 宇航原料工艺,2001,31(3):42~44

9 陈刚,赵珂,肖志红. 固体火箭发动机壳体复相符原料发展钻研[J]. 航天制造技术,2004(3):18~22

10 陆明,银美秀,黄家骥. 浅谈固体火箭发动机壳体原料选择题目[J]. 品牌(下半月),2015(12):108

11 李成功,傅恒志,于翘,等. 航空航天原料[M]. 北京:国防工业出版社,2002:123~185

12 李公理,陈刚. 玻璃纤维缠绕壳体在固体火箭发动机一二级上的行使钻研[J]. 航天制造技术,2011(1):49~52

13 Gupta G S, Kumar N K, Kumar K A.Micro Stress Evaluation and Analysis in FRP Composites for Rocket MotorCasing[J]. Materials Today:Proceedings,2018, 5(2):5737~5742

14 张雄斌,贺辛亥,程稼稷. 芳纶纤维外观改性及其添强树脂基复相符原料制备的钻研挺进[J]. 工程塑料行使,2018,46(8):149~153

15 张德刚,陈纲. 碳纤维树脂基复相符原料在防空导弹上的行使[J]. 当代退守技术,2018,46(2):24~31

16 Wegner P M, Higgins J E, Van West BP. Application of advanced grid-stiffened structures technology to the minotaurpayload fairing[R]. AIAA 2002-1336

17 Biskner A, Higgins J. Design andevaluation of a reinforced advanced-grid stiffened composite structure[R]. AIAA2005-2153

18 Zhu Mingming, Li Min, Wu Qing, et al.Effect of processing temperature on the micro- and macro-interfacial propertiesof carbon fiber/epoxy composites[J]. Taylor & Francis, 2014, 21(5):443~453

19 孙曼灵. 环氧树脂行使原理及技术[M].北京:死板工业出版社,2002

20 Zhang Jing, He Delong, Wagner H D, etal. Interfacial studies of carbon fiber/epoxy composites using single fiberfragmentation test[J]. Routledge, 2013, 20(6):421~429

21 Stefano B, Michel B, Alessandro T, etal. Vega launch vehicle propulsion systems-an overview of the 2004 developmentstatus[R]. AIAA 2004-4212

22 Biagioni M, Cutroni M. P80 FW SRM-Newtechnologies for solid motor-status of development[R]. AIAA 2004-4220

23 向幼波,蒋永凡,程勇. 聚丙烯腈基碳纤维及其在固体火箭发动机壳体上的行使[J]. 纤维复相符原料,2015,32(3):23~28

24 卢天豪,陆文晴,童元建. 聚丙烯腈基碳纤维高温石墨化综述[J]. 高科技纤维与行使,2013,38(3):46~53,74

25 孟祥武,郑志才,孙士祥,等. 国产T700S碳纤维添强复相符原料压力容器的成型工艺[J]. 工程塑料行使,2018,46(3):62~68

26 舒碧光,秦凤平,王纪霞,等. 碳纤维复相符壳体用基体环氧树脂钻研挺进[J]. 宇航原料工艺,2011,41(3):8~11

27 陈平,李键丰,蹇锡高,等. 碳纤维复相符原料发动机壳体用高性能树脂基体的研制[J]. 化工挺进,2003(6):626~629

28 陈平,韩冰,张春华,等. 固体火箭发动机壳体用环氧树脂基体的钻研挺进[J]. 纤维复相符原料,2000,17(1):54~56,45

29 魏虹,刘义华,张志斌,等. 耐160℃环氧树脂及其在缠绕壳体上的行使技术钻研[J]. 航天制造技术,2014(5):22~25

30 魏海旭. 碳纤维/氰酸酯树脂复相符原料缠绕工艺与性能钻研[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015

31 王晓洁,梁国正,张炜,等. 氰酸酯树脂在航空航天周围行使钻研挺进[J]. 原料导报,2005,19(5):70~72

32 娄宝兴,王家梁,张丹枫. 氰酸酯树脂的组织与性能[J]. 绝缘原料,2005,38(6):53~57

33 Hamerton I. Recent technologicaldevelopments in cyanate ester resins[J]. SAGE Publications, 1998, 10(2):163~174

34 Suman J N, Kathi J, Tammishetti S.Thermoplastic modification of monomeric and partially polymerized Bisphenol Adicyanate ester[J]. Elsevier Ltd, 2005, 41(12):2963~2972

35 Zhang Zengping, Liang Guozheng, WangXiaolei. Epoxy-functionalized polyhedral oligomeric silsesquioxzne/cyanateester resin organic-inorganic hybrids with enhanced mechanical and thermalproperties[J]. Polymer International, 2014, 63(3):552~559

36 赵凯,高伟,陈书华. 湿法缠绕成型T700碳纤维/氰酸酯树脂复相符原料力学性能钻研[J]. 玻璃钢/复相符原料,2019,(2):91~95

37 李健芳,郭鸿俊,高杨,等. MT300/802双马树脂基复相符原料固化工艺及高温力学性能[J]. 宇航原料工艺,2019,49(4):34~40

38 惠雪梅,尤丽虹,田建团. 新式无溶剂耐高温双马树脂及其碳纤维复相符原料[J]. 宇航原料工艺,2011,41(1):54~57

39 江松达,万里强,周晓辉,等. 二炔丙基乙炔基苯胺衍生的聚三唑树脂的相符成与性能[J]. 高分子原料科学与工程,2018,34(3):17~21,29

40 杜磊,黄发荣,万里强. 新式矮温固化高性能聚三唑树脂及其复相符原料[J]. 航天动力原料,2012,3(2):1~5

41 沈镇,曾金芳,王秀云. 聚三唑树脂的耐炎性钻研挺进[J]. 玻璃钢/复相符原料,2015(9):93~98

42 倪礼忠. 吾国基体原料的发展历程[J].玻璃钢/复相符原料,2014(9):12~18

43 刘锋,周恒,赵彤. 高性能树脂基体的最新钻研挺进[J]. 宇航原料工艺,2012,42(4):1~6

44 Xue Lian, Wan Liqiang, Hu Yanhong, etal. Thermal stability of a novel polytriazole resin[J]. Elsevier B.V., 2006,448(2):147~153

45 Ye Lvyuan, Wan Liqiang, Huang Farong.A new high performance novolac-based polytriazole resin[J]. SAGE Publications,2018, 30(1):109~115

Progress of Composite for SolidRocket Motor Case

Li Yingxin Mo Ji’an Wang Xiuyun Guo Yalin

(Xi’an Aerospace Composites ResearchInstitute, Xi’an 710025)

Abstract:The progress of reinforced fibers andmatrix resins for composite of solid rocket motor case is introduced in thispaper. The reinforced fibers include glass fiber, aramid fiber and carbonfiber; the matrix resins include epoxy resin, cyanate ester resin, bismaleimideresin and polytrizole resin.

Key words:case;composite materials;solid rocket motor(SRM)

作者简介:李莹新(1996),硕士在读,原料科学与工程专科;钻研倾向:树脂基组织原料及制造。

收稿日期:2020-07-07

相关文章:

Powered by 无码日本有码中文字幕 @2018 RSS地图 html地图

Copyright 站群系统 © 2012-2013 365建站器 版权所有