航天动力复合材料技术发展现状及设想

笛声悠扬

  著名科学家师昌绪院士在北京科技大学举办的“中国材料名师讲坛”上讲到：材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。
   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，目前已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。
   作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。
二、国内外技术发展现状分析
1、国外技术发展现状分析
1.1结构复合材料
   国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1、-2、-3）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为5300MPa，HBRF-55A环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc）≥39KM；美国的潜射导弹“三叉戟II（D5）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 。
    国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa，九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa，并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年生产的炭纤维品种只有4种，到1995年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。
    芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC，均已在多个型号上得到应用，如前苏联的SS-24、SS-25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚性极强的线形伸直链结构。美国Bruswick公司用抗拉强度为5.5GPa级的PBO纤维进行缠绕容器的综合研究，内径为250mm的球形高压容器，实测平均爆破压强91MPa，纤维强度转化率86%，容器特性系数65.2KM，与抗拉强度为5.65GPa的T-40炭纤维缠绕容器相比（PV/W值为45.2KM），PBO性能要高31% 。
   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年代就已开始，目前已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，日本研制的碳/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。
   从20世纪60年代末开始，航天领域中以S玻璃和凯夫拉-49纤维复合的金属内衬轻质压力容器逐渐取代传统的全金属压力容器。美国在1975年开始了轻质复合材料气瓶研制，采用S-玻纤/环氧、Kevlar/环氧缠绕复合材料气瓶。随着炭纤维性能提高及成本大幅度下降，炭纤维与低成本铝内衬制造技术相结合，使得费用低、质量轻、性能高、可靠性好的高压容器的生产变为现实。
1.2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/炭材料或碳布带缠绕制成，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、4D炭/炭复合材料喉衬。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。如美国研制的Star系列宇航发动机炭/炭扩张段，及MX导弹第三级采用炭/炭扩张段和二维延伸的炭/炭延伸锥，三叉戟D5潜地战略固体导弹第二级采用了可延伸的炭/炭延伸锥。法国研制的炭/炭扩张段应用于西欧远地点助推发动机MageII号。俄罗斯炭/炭扩张段出口直径达1.5m，出口厚度2.8mm，已应用于“起点一号”运载火箭上面级等众多型号发动机。八十年代中期，法国SEP公司开发了厚度方向有炭纤维增强的在Novoltex 炭/炭扩张段、延伸锥技术。美国侏儒导弹第三级的炭/炭扩张段和延伸锥、雅典娜(Athena) 运载火箭惯性顶级发动机Orbus 21 HP、波音公司运载火箭Delta-III的第二级（RL10B-2）和Ariane 4运载火箭上面级液氢/液氧发动机HM7使用了SiC涂层的Novoltex 炭/炭扩张段。
2、国内技术发展现状分析
2.1结构复合材料
   国内固体发动机壳体已成功采用玻璃纤维及芳纶纤维。航天四十三所还配合有关部门进行了国产芳纶纤维初步性能研究，有待于进一步加强工艺应用研究。四十三所在炭纤维复合材料壳体研究方面进行了大量的预先研究工作，进行了φ1400mm、φ2000mm炭纤维壳体研制。与国外相比，主要差距有：APMOC纤维依赖进口，应用中纤维强度转化率较低；高性能炭纤维未实现国产化，应用受到限制；壳体工艺控制手段不先进；目前尚没有型号应用炭纤维缠绕的固体发动机壳体。
在PBO纤维应用研究方面，航天四十三所进行了初步的探索性研究，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。但与国外相比，存在着基础应用研究不多、原材料依赖进口的缺点。
   国内在轻质复合材料应用上也开展了相关研究。在复合材料发射筒研究方面，航天四十三所及哈尔滨玻璃钢制品研究所进行了XX系列导弹发射筒的研制，已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。航天四十三所、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，43所同时针对网格结构缠绕成型的特点开发了缠绕软件。上述工作为大型主承力网格结构实际应用奠定了良好的基础。总体说来，目前国内对网格结构的研究主要集中于理论方面，需加强复合材料主承力网格结构应用技术研究，以提高我国空间飞行器的性能，缩短在该技术上与国外的差距。
   四十三所多年来一直从事复合材料压力容器研究工作，从早期的玻璃纤维压力容器，Kevlar-49压力容器到F-12芳纶纤维及炭纤维压力容器，性能一直处于国内先进水平，S-Ⅱ玻璃纤维压力容器的PV/W值达到20km， F12芳纶纤维PV/W为38km，T700炭纤维PV/W为40km。在金属内胆压力容器研制方面，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，已进入正样阶段。此外，航天四十三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。
2.2结构/功能一体化材料
   喉衬材料一直是固体火箭发动机材料应用研究的重点和关键。近20年来，炭/炭复合材料喉衬的研制和应用取得了很大的进展，航天四十三所于70年代末期建立起了Φ650mm的毡基炭/炭喉衬研制生产线，80年代初又掌握了4D 炭/炭喉衬研制工艺技术，通过工艺攻关，基本具备了大型战略导弹SRM各级发动机喉衬预成型体编织，CVD均热法、热梯度法，高压浸渍炭化，高温石墨化工艺的研制条件。四十三所研制了与国际水平同步发展的各种类型炭/炭喉衬材料，其中4种炭/炭喉衬材料性能已达到同类材料的国际先进水平。
   喷管扩张段、防热环技术是我国SRM技术中与国外差距最大的项目，大约落后20年左右，严重制约着我国战略、战术导弹武器的技术水平。国内大型喷管扩张段/延伸段结构件材料目前主要采用采用炭/酚醛、高硅氧/酚醛复合缠绕绝热层及玻璃纤维/环氧缠绕结构层，耐温性与刚度比较低，限制了喷管热防护材料的进一步发展，研制耐高温轻质的喷管结构材料成为必要。航天四十三所已开展多项轻质炭/炭扩张段预先研究，先后成功通过固体及液体发动机地面热试车，承担的“863项目”研制的不同规格的炭/炭延伸段已先后多次成功通过液体发动机地面热试车，为航天动力系统的轻质化奠定了一定的技术基础。
三、问题及建议
1、原材料研究滞后阻碍了高性能复合材料研制的步伐
   如我国在“九•五”期间开发的国产芳纶纤维，尽管其抗拉强度已达到4470MPa，但该纤维存在工艺性较差、制作的复合材料层间剪切强度较低等缺点。目前航天动力用炭纤维复合材料均为进口炭纤维，多为日本东丽公司的炭纤维，国产炭纤维原丝质量不稳定，纤维强度较低且离散性较大。PBO增强复合材料是未来先进复合材料主要发展方向之一，可我国的PBO纤维至今完全依赖进口。制备C/SiC复合材料的先驱体树脂陶瓷产率低。
   从长远考虑，建议国家投入经费，应加强高性能原材料工业化力度，大幅提高性能，扩大规模，降低成本。从而降低军用复合材料成本。
2、需要进一步加强复合材料的基础研究
   复合材料经过了多年的发展历程，现已基本自成体系，无论在原材料、构件成型，还是工程应用等方面，国内外都已形成规模。但是，就国内目前的现状看来，几十年的发展对于一种高新材料而言，远远不够，随着复合材料应用领域的扩展、使用条件的提高，所产生的高性能、低成本、多功能要求，有待于开展更广泛、更深入地研究。
   建议今后复合材料领域的研究工作计划围绕以下几方面展开：高性能复合材料进一步研制；复合材料低成本化研究；复合材料界面结构和性能的研究与控制；复合材料结构及工艺过程控制研究。
3、进一步提高制造技术和制造工艺
   尽管我国有许多材料的水平已接近甚至达到国际先进水平，但由于材料应用技术水平落后，制造工艺和制造技术差，造成复合材料结构件的性能差。因此，需要重视提高应用技术，开发先进制造工艺和制造技术。
四、结束语
   在航天动力技术领域，先进复合材料起着重要的作用。当前，复合材料技术的快速发展，使研制和应用高性能结构复合材料、结构/功能一体化的高温烧蚀防热材料成为可能，先进的复合材料技术将给动力系统的研发提供强有力的技术支持，使发动机性能获得新的飞跃。将对我国武器装备的快速进步、航天事业的飞跃发展具有举足轻重的作用。