复合材料在固体火箭发动机的应用现状

摘要：从复合材料在火箭发动机喷管的热防护以及燃烧室壳体两方面应用介绍了复合材料在固体火箭发动机的应用范围和发展现状。重点介绍的有用于喷管热防护的碳/碳复合材料、酚醛类复合材料和用于燃烧室壳体的玻璃纤维、芳纶纤维以及碳纤维在类的复合材料。最后对复合材料在固体火箭发动机上的应用进行了总结和展望。

主题词：复合材料；固体火箭发动机；喷管热防护；燃烧室壳体

引言

固体火箭发动机的工作原理是利用固体燃料在燃烧室燃烧后产生的高温高压燃气，在喷管内实现能量转换，从而产生推力。发动机在工作过程中要承受高温、高压和高速等各种复杂载荷的作用[1]。为了承载复杂载荷作用，固体火箭发动机各组件多采用金属材料制成，钢的主要特点是机械强度高，正常情况下可以超过1000MPa，能承受3～25MPa的内压，且易于成型[2]。金属材料密度大导致消极质量过高严重降低了固体火箭发动机的工作性能，轻质高强的复合材料逐渐进入科研工作者的视野，并逐步在固体火箭发动机各部件中得到了广泛的应用。本文主要综述了复合材料在固体火箭发动机的应用范围及现状。

1.复合材料在喷管热防护上的应用

固体火箭发动机的喷管位于燃烧室尾部。从燃烧室出来的高温、高压和夹杂着大量AI2O3颗粒的燃气会对喷管产生严重的热对流和侵蚀作用。喷管工作环境十分恶劣，固体火箭发动机的喷管对热防护材料有以下基本要求：1）烧蚀率低，且烧蚀均匀；2）物理性能良好，密度低；3）导热率小；4）工艺性和经济性好[3]。现如今在运用在喷管热防护的复合材料通常情况下分为两种：1）碳/碳复合材料；2）碳纤维及高硅氧/酚醛等其他酚醛复合材料。

1.1碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是一种新型的热防护复合材料，它是以碳纤维或者是石墨为增强基底的碳基复合材料，具有密度低、强度高、热膨胀系数低、耐冲击以及耐烧蚀等优异性能，目前在火箭的喉衬领域到了充分的运用。美国在战斧巡航导弹助推器、希神导弹、ASAT导弹、等导弹上采用了4D结构的碳/碳复合材料的喉衬[4]。我国1984年我国的西安航天复合材料研究所首次成功的将碳/碳复合材料制成的喉衬运用到了运载火箭上，开启了我国用碳/碳复合材料喉衬领域的先河；西北工业大研究了高性能的CVI沉积碳/碳复合材料喉衬并且实现了产业化的生产[5]。

1.2酚醛类复合材料

酚醛类复合材料拥有良好的耐热性，较低的质量烧蚀率、瞬时间耐高温性能显著，可以起到很好的隔热作用，而且具有质量轻、生产成本低和易加工，是固体火箭发动机喷管扩散段绝热的理想材料[6]。美国的“牵牛星”以及3AFW-4S“侦查兵”B级运载火箭四级喷管扩散段均为低密度的高硅氧/酚醛树脂绝热层；美国的C-CAT公司利用浸渍技术，研制出了碳纤维/酚醛树脂复合材料，为HTV-2高超声速导弹的喷管提供了参考材料[7]。国内科研人员在酚醛热防护材料方面也取得绯闻成绩且成功地应用于各类导弹。张新航和张海鹏[8]等利用模压工艺研制的碳纤维/硼酚醛复合材料，并制成满足了固体火箭发动机热防护要求的喉衬。

2.复合材料在燃烧室壳体上的应用

燃烧室是固体火箭发动机的主要组成部分，火箭发动机在工作过程中要经受高温、高压燃气流的作用，因此壳体必须具有很高强度、高刚度的要求。早期都是采用高强度的金属材料作为壳体材料，但是随着复合材料问世，固体火箭燃烧室壳体普遍材料了纤维缠绕复合材料。到目前为止，复合材料壳体材料由玻璃缠绕纤维发展至芳纶纤维再到碳纤维。

2.1玻璃纤维

作为固体火箭燃烧室壳体的玻璃纤维主要是高强玻璃纤维，它除了具有高强度、低密度和高比强度外、而且还具有耐高温以及阻燃性好等特点，此外复合材料PV/W值比金属壳体增加了2～4倍[9]。玻璃纤维作为第一代固体火箭发动机壳体的复合材料，1960s美国在“北极星A2”导弹发动机率先使用；法国的M4导弹的402V发动机壳体以及最先进的“海神”导弹发动机壳体都采用了玻璃纤维复合材料[10]。我国从上世纪60年代也开始对缠绕技术以及它在固体火箭发动机壳体上的应用进行了研究，目前多个型号的发动机壳体上利用了玻璃纤维缠绕技术，尤其采用2#玻璃纤维/环氧树脂复合材料已成功应用在多种发动机上[11]。

2.2芳纶纤维

芳纶纤维是第二代纤维材料，除了耐磨性和具有抗剪切性之外，还具有比玻璃纤维要高的强度与模量，同时密度还低于玻璃纤维。1970s初期美国就将Kevlar49芳纶纤维复合材料运用于“三叉戟1”固体导弹的三级发动机壳体，最新的“三叉戟2”固体导弹的第三级发动机和“潘新2”战术导弹的两级发动机的壳体都采用了Kevlar芳纶复合材料制备[11]。国内1970s也逐渐开展了芳纶纤维复合材料在固体火箭发动机壳体的运用研究，1980s我国科学家利用进口的Kevlar 49纤维和芳酰胺纤维相容性好的树脂基体配方进行了研究，然后在此基础上对某样型发动机壳体进行了试验，现如在我国各型号战略导弹的发动机得到了应用[7]。

2.3碳纤维

碳纤维复合材料已经是第三代复合材料，与玻璃纤维及芳纶纤维相比它的强度最强、密度最低，但是和玻璃纤维一样韧性差。作为固体火箭燃烧室壳体材料的碳纤维主要是高强中三种类型的碳纤维，其常用的碳纤维有IM7、T700、T800和T1000G[12]。美国的 “大力神4”火箭以及“战斧”巡航导弹和“侏儒”导弹发动机的壳体均采用了IM7；欧洲航天局的“织女”星火箭的后两级发动机壳体均采用了T1000G[13]。我国也在很早的就对碳纤维复合材料在固体火箭发动机壳体的应用展开了研究，到目前为止我国T700碳纤维已经完成了工业化研究并开始走向工程应用，贵州某航天公司利用T700完成了某固体火箭发动机壳体结构的设计 [14]。西安航天动力技术研究所采用了国产T800碳纤维研制了某大型固体火箭发动机壳体并进行了优化设计[15]。然而我国的T1000级碳纤维应用才开始展开研究，几乎没有关于它的实际报道 [16]。

3.结束语

根据复合材料在国内外固体火箭发动机的应用及发展现状可以看出，利用具有高比模量、高比强度、质量轻和耐高温优异性能的复合材料研制固体火箭发动机，是国际上提高固体火箭发动机工作性能的重要方式。随着性能更为优异的新型复合材料的逐渐问世和应用研究，在将来高性能的复合材料一定会占有主导地位在固体火箭发动机上，固体火箭发动机的工作性能也将得到极大提高。

参考文献

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