整流罩結構作為運載火箭和載人飛船的重要組成部分，為運載火箭在穿過大氣層時對航天器的有效載荷提供保護，保持火箭氣動外形和內(nèi)部結構免受氣動壓力影響，整流罩材料耐高溫、具有優(yōu)異的力學性能、具備較輕的結構質(zhì)量。本文對目前國內(nèi)外運載火箭用纖維復合材料整流罩材料技術發(fā)展現(xiàn)狀及應用情況進行介紹，結合未來我國運載火箭用纖維復合材料整流罩的發(fā)展需求，展望了我國新一代運載火箭纖維復合材料整流罩發(fā)展方向，以期為我國運載火箭整流罩材料的發(fā)展提供參考。

圖1 運載火箭流罩結構

　　衛(wèi)星整流罩是運載火箭最重要的艙體之一備良好的氣動外形、較輕的結構質(zhì)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(nèi)有效載荷不受外界自然環(huán)境和氣動沖刷的影響，在飛出大氣層后從火箭上可靠 分離［1 ］ 。圖1為運載火箭整流罩分離狀態(tài)，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(nèi)部衛(wèi)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［2 ］ 。?

　　為保證分離前罩內(nèi)有效載荷與外界的數(shù)據(jù)傳 輸，整流罩一般具有透電磁波的功能。目前國內(nèi)外衛(wèi)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［3 ］ 。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(fā)動機油耗，從而降低了火箭發(fā)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(yōu)點，可進行一體化設計和制造，減少了結構零部件的數(shù)量，提高了結構可靠性;樹脂基纖維復合材料優(yōu)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［4 ］。

　　本文介紹了運載火箭整流罩常用材料，對國內(nèi)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(nèi)外運載火箭結構技術發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)在結構輕質(zhì)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(zhì)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(yōu)勢［5 ］ 。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(yōu)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(shù)，力學性能優(yōu)異等特點，滿足整流罩隔熱要求［6 ］ 。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(zhì)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(nèi)實現(xiàn)透波功能，是整流罩的理想材料，本章梳理了國內(nèi)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(yōu)點，國內(nèi)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［8－10 ］ 如1所示?！　√祭w維具有許多優(yōu)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(shù)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［11 ］;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(yōu)異、吸濕性小以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)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(nèi)基本不變化，可實現(xiàn)整流罩的寬頻透波性，且石英纖維高溫下透波性能優(yōu)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［12 ］;芳綸纖維是一種高科技特種纖維，具有高強度和高模量，優(yōu)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［13 ］ 。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(huán)氧樹脂(EP)、雙馬來酰亞胺樹脂 (BMI)和氰酸酯樹脂(CE)等［14 ］ 。最常用的樹脂材料為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂熱力學性能優(yōu)異、工藝性強、電氣性能優(yōu)良，一直是復合材料樹脂基體的主體，環(huán)氧樹脂的缺點是耐沖擊損傷能力差，在濕熱環(huán)境下力學性能下降明顯，近年來，研究人員一 直致力于向環(huán)氧體系中加入柔性基團改善環(huán)氧樹脂的韌性并提高耐熱性［15 ］ 。雙馬來酰亞胺(BMI)樹 脂作為芳香族聚酰亞胺材料，具有優(yōu)異的耐高低溫、高強高模、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)與損耗、低真空揮發(fā)份、低揮發(fā)可凝物等優(yōu)點，又有類似于環(huán)氧樹脂較易加工的優(yōu)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［16 ，17］ 。氰酸酯樹脂(CE)是二十世紀八十年代開發(fā)的一類新型樹脂，具有低介電、耐高溫、耐濕熱等優(yōu) 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［18 ］ 。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(yōu)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(shù)很大程度上影響衛(wèi)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(yōu)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［19 ］ 。　　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(huán)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(zhì)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(yōu)于其他蜂窩夾層結構，是一種高剛性硬質(zhì)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(xiàn)寬頻透波，國外已大量應用在整流罩 上，國內(nèi)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(chǎn) 的PMI夾層結構，降低了衛(wèi)星發(fā)射成本，應用前景廣闊［20 ］。
國內(nèi)整流罩材料發(fā)展現(xiàn)狀　　為滿足未來我國運載火箭等航天器整流罩發(fā)展需求，國內(nèi)各個高校及科研院所都以纖維復合材料改性為出發(fā)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(fā)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［21 ］ 開發(fā)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(fā)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［22 ］ 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［23 ］ 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(fā)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(huán)境下長期使用，而且該材料具備了較低的介電常數(shù)和介電損耗，性能穩(wěn)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［24 ］ 。張醒等［25 ］ 設計的全透波衛(wèi)星整流罩采用玻璃纖維面板－芳綸紙蜂窩夾層結構，經(jīng)試驗驗證實現(xiàn)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(xiàn)了輕質(zhì)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［26 ］ 采用高強度碳纖維復合材料共固化工藝設計出一種輕質(zhì)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(nèi)有效載荷不受外界環(huán)境影響。
國外整流罩材料發(fā)展現(xiàn)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(huán)境試驗的風洞技術條件［27 ］ 。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［28 ］ 。目前，耐高溫有機樹脂基復合材料(HTPMCs)體 系中，美國研發(fā)的PI樹脂(PMＲ－15與PMＲ－50)已成為航天工業(yè)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(yōu)異介電性能，易于實現(xiàn)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℃［29 ］ 。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(fā)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［30 ］ 。俄羅斯發(fā)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［31 ］ 。結語　　盡管國內(nèi)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(chǎn)品性能穩(wěn)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(chǎn)品的質(zhì)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(zhì)輕、高承載等要求，研究人員需加強對介電性能優(yōu)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(fā)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(fā)射準備時間，提高 運載火箭發(fā)射成功率也是科研人員的目標?！　【C上所述，運載火箭整流罩將朝著結構輕質(zhì)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(fā)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(qū)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)

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