【航空航天】運載火箭用纖維復合材料整流罩研究進展
圖1 運載火箭流罩結構
衛星整流罩是運載火箭最重要的艙體之一，具備良好的氣動外形、較輕的結構質量和可靠的分離功能，主要作用是在運載火箭臨射和飛行過程中維持氣動外形，保護罩內有效載荷不受外界自然環境和氣動沖刷的影響，在飛出大氣層后從火箭上可靠分離。圖1為運載火箭整流罩分離狀態，整流罩位于運載火箭前端，在飛出大氣層過程中保護運載火箭內部衛星等精密儀器不受熱流的侵蝕，當運載火箭飛出大氣層后，整流罩不再起作用，此時，為減輕火箭重量，整流罩即與運載火箭分離 。
為保證分離前罩內有效載荷與外界的數據傳輸，整流罩一般具有透電磁波的功能。目前國內外衛星整流罩主要有金屬鉚接結構和復合材料結構兩大類，金屬鉚接結構常用材料為鋁合金、復合材料結構為具有透波功能的樹脂基纖維復合材料 。樹脂基纖維復合材料設計制造的整流罩，可以有效減輕20%－30%的結構重量，提升了火箭的運載能力，在相同載重下，降低了發動機油耗，從而降低了火箭發射成本;此外，樹脂基纖維復合材料較金屬材料具有設計性強的優點，可進行一體化設計和制造，減少了結構零部件的數量，提高了結構可靠性;樹脂基纖維復合材料優異的耐腐蝕、耐濕熱、 耐輻射和抗疲勞等特性，提高了整流罩結構的使用壽命，從而為整流罩的回收提供了可能。
本文介紹了運載火箭整流罩常用材料，對國內外運載火箭整流罩制造材料和制造工藝研究情況進行了梳理，基于未來我國運載火箭的研制需求、對比分析國內外運載火箭結構技術發展現狀，提出我國新一代運載火箭整流罩結構的技術特征主要表現在結構輕質化、設計制造一體化、研制高效化、重復使用化和低成本化等5個方面。
整流罩常用材料
表1 整流罩常用纖維性能
運載火箭整流罩一般為面板蜂窩夾層復合結構，是蒙皮與蜂窩芯材通過膠膜組成的層狀復合結構。面板蜂窩夾層復合結構具有質量輕，比強度高、平面度高、隔音、降噪、減震、工藝性強和可設計性強的優勢。包括面板和蜂窩夾芯兩部分， 面板一般為纖維復合材料，具有抗沖擊性強、耐腐蝕性強和耐熱性能優異的特點;蜂窩夾層目前先進復合材料常采用玻璃鋼蜂窩、鋁蜂窩、Nomex紙蜂窩、泡沫蜂窩等，具有低導熱系數，力學性能優異等特點，滿足整流罩隔熱要求 。
2.1 面板材料
面板結構為整流罩提供氣動外形，面板材料為樹脂基纖維復合材料，由基體材料和增強材料組成。樹脂基纖維復合材料質量輕、強度高、耐高溫，具有可設計性強的特點，可在較寬范圍內實現透波功能，是整流罩的理想材料，本章梳理了國內外常用的整流罩纖維材料和樹脂基材料。
2.1.1 纖維材料
樹脂基纖維復合材料具有比強度大、比模量高的優點，國內外常用作整流罩面板的高性能增強材料包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等，常用幾種纖維材料性能如1所示。
碳纖維具有許多優良性能，軸向強度和模量高，密度低，無蠕變，耐疲勞性好，熱膨脹系數小，有良好的導電性能和電磁屏蔽性能。已在航空航天領域大量應用;玻璃纖維是透波整流罩蒙皮最常用的增強材料，具有強度高、介電性能優異、吸濕性小以及尺寸穩定等優點。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基本不變化，可實現整流罩的寬頻透波性，且石英纖維高溫下透波性能優異，目前國外先進整流罩大多已采用石英纖維作為增強材料;芳綸纖維是一種高科技特種纖維，具有高強度和高模量，優異的耐熱性能和阻燃性能，應用于航天航空領域，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域的應用 。
2.1.2 樹脂材料
整流罩一般采用高性能熱固性樹脂作為面板基體材料，包括環氧樹脂(EP)、雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)和氰酸酯樹脂(CE)等 。最常用的樹脂材料為環氧樹脂，環氧樹脂熱力學性能優異、工藝性強、電氣性能優良，一直是復合材料樹脂基體的主體，環氧樹脂的缺點是耐沖擊損傷能力差，在濕熱環境下力學性能下降明顯，近年來，研究人員一直致力于向環氧體系中加入柔性基團改善環氧樹脂的韌性并提高耐熱性。雙馬來酰亞胺(BMI)樹脂作為芳香族聚酰亞胺材料，具有優異的耐高低溫、高強高模、低熱膨脹系數、低介電常數與損耗、低真空揮發份、低揮發可凝物等優點，又有類似于環氧樹脂較易加工的優點，廣泛用于航空航天領域，但缺點是熔點高、溶解性差、脆性大 。氰酸酯樹脂(CE)是二十世紀八十年代開發的一類新型樹脂，具有低介電、耐高溫、耐濕熱等優點，主要用于高性能印刷電路板和高性能透波結構材料，其缺點是固化后脆性較大，韌性較差。為增加樹脂體系韌性，BMI和CE一般使用增韌改性后混合樹脂體系作為復合材料結構基體，改性后的BMI和CE樹脂體系在保證優良耐濕熱性能和介電性能的同時，可提高結構的抗沖擊強度。
2.2 夾層材料
整流罩夾層結構對面板材料起著支撐作用，其性能參數很大程度上影響衛星整流罩透波段的力學性能。夾芯材料應滿足以下要求:低密度、平壓模量高、剪切模量高、彎曲強度高和介電性能優異等，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性能較差， 在航空領域已逐漸被Nomex紙蜂窩和PMI泡沫蜂窩代替;鋁蜂窩和碳纖維面板結合會引起電化學腐蝕，不滿足航天器苛刻環境下對于復合材料耐腐蝕要求;Nomex紙蜂窩由芳綸浸漬酚醛樹脂制成， Nomex蜂窩和碳纖維面板結合不會引起電化學腐蝕，剪切模量大于PMI硬質泡沫，成本較低、工藝性良好，大量應用于機身、連接件等部位，在航空航天領域應用廣泛;PMI泡沫夾層結構在很多力學性能上優于其他蜂窩夾層結構，是一種高剛性硬質結構，抗拉強度達0.5MPa以上，使用密度低于100kg/m³，熱變形溫度可達240℃，與EP、BMI、CE等熱固性樹脂具有良好的界面粘結強度，作為夾層結構不易與面板界面脫粘，且PMI結構透波性能良好，作為整流罩結構材料，在滿足載荷條件的同時可實現寬頻透波，國外已大量應用在整流罩上，國內多用于民用飛機的結構部件，新一代運載火箭－長三甲系列運載火箭整流罩前錐采用了國產的PMI夾層結構，降低了衛星發射成本，應用前景廣闊。
國內整流罩材料發展現狀
為滿足未來我國運載火箭等航天器整流罩發展需求，國內各個高校及科研院所都以纖維復合材料改性為出發點，設計研制高性能、低成本的纖維復合材料，增強了運載火箭進入空間的能力，降低了運載火箭的發射周期和成本。
在運載火箭整流罩樹脂基材料研究方面，中科院化學研究所楊士勇等開發出了包括第一代耐316℃、第二代耐371℃、第三代耐426℃等系列聚酰亞胺樹脂基體，并針對耐高溫碳纖維增強樹脂基復合材料發展了包括真空熱壓罐工藝、真空高溫ＲTM工藝、反應性熱模壓工藝等不同成型方法。賀國文分別對聚酰亞胺復合材料的制備和界面結合強度進行了微觀分析研究，為聚酰亞胺復合材料的在飛行器整流罩上的應用提供了參考。吉林大學的饒先華開展了高性能苯乙炔基封端的聚酰亞胺樹脂基體及其碳纖維復合材料研究工作，為耐高溫聚酰亞胺碳纖維復合材料整流罩的發展開拓了視野。航天材料及工藝研究所研制出了石英增強的聚酰亞胺復合材料，可以在370℃的高溫環境下長期使用，而且該材料具備了較低的介電常數和介電損耗，性能穩定，具有良好的介電性能和力學性能， 可以選為透波/高承載的功能材料。張醒等設計的全透波衛星整流罩采用玻璃纖維面板－芳綸紙蜂窩夾層結構，經試驗驗證實現了全向平均90%透波率的高效透波能力，并在減重超過20%的情況下，承載能力仍滿足設計要求，實現了輕質高承載和全向透波功能，并在飛行試驗中得到驗證。哈爾濱玻璃鋼研究院曲廣巖采用高強度碳纖維復合材料共固化工藝設計出一種輕質高強、厚度可控的復合材料整流罩結構，克服了大型一體化成型技術帶來的模具設計難題，高強度碳纖維復合材料整流罩在保證大尺寸的同時可維持氣動外形，保護罩內有效載荷不受外界環境影響。
國外整流罩材料發展現狀
在運載火箭整流罩材料設計和制造方面以美國的技術最為先進，整流罩材料包括無機材料和有機材料等，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和實驗手段、真實環境試驗的風洞技術條件 。上世紀70年代美國研制出Duroid5870復合材料，同時還完成了整流罩熱加載、高溫電性能、燒蝕和抗雨蝕等試驗，并研制了用于電性能測試的整流罩自動測試設備 。目前，耐高溫有機樹脂基復合材料(HTPMCs)體系中，美國研發的PI樹脂(PMＲ－15與PMＲ－50)已成為航天工業的基礎材料，大大推動PI復合材料在大型結構部件中的應用并降低成本。石英纖維的優異介電性能，易于實現寬頻透波，國外運載火箭整流罩大多已選用由石英纖維復合材料制備，美國已研制出石英纖維增強PI樹脂復合材料整流罩結構，使用溫度高于538℃。俄羅斯擁有的世界領先水平的復合材料制備技術，在研制應用先進耐高溫材料的同時，發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合材料，同時加強對整流罩的加工和制造技術研究，著重關注整流罩的結構設計和電氣性能的設計 。俄羅斯發展的改性酚酸樹脂的工藝性能和透波性能均達到非常高的水平，其最高使用溫度達到600℃，已在寬頻整流罩上得到成功應用。
結 語
盡管國內在蜂窩夾層復合材料整流罩的制備技術上取得了大量的研究成果，但纖維復合材料工藝性不佳、產品性能穩定性不夠等原因，限制了其在航空航天等領域上的應用，隨著制件形狀復雜程度的增加，性能要求及減重要求不斷提高，需要進一步加強對纖維復合材料成型工藝、蜂窩夾層材料成型工藝以及其膠膜的研究，以提高產品的質量及可靠性;新一代運載火箭對整流罩結構提出整體高效透波、質輕、高承載等要求，研究人員需加強對介電性能優異的樹脂材料和纖維材料進行選擇分析與試驗驗證;隨著我國航空航天的快速發展，高性能整流罩對纖維和樹脂提出更高要求，故降低整流罩纖維和樹脂等原材料的設計制造成本，加強對整流罩的回收應用，縮短運載火箭發射準備時間，提高運載火箭發射成功率也是科研人員的目標。
綜上所述，運載火箭整流罩將朝著結構輕質化、設計制造一體化、研制高效化、重復使用化、 低成本化等方向發展。
于德潤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)
