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固体火箭发动机壳体用材料综述
摘要:概述了国内外固体火箭发动机壳体用先进复合材料研究应用现状,同时对
固体火箭发动机壳体的纤维缠绕成型工艺进行了阐述。
关键词:固体火箭发动机复合材料树脂基体纤维缠绕成型
1固体火箭发动机简介
固体火箭发动机是当今各种导弹武器的主要动力装臵,在航空航天领域也有
相当广泛的应用。它的特点是结构简单,因而具有机动、可靠、易于维护等一系
列优点,非常适合现代化战争和航天事业的需要。但固体火箭发动机部件在工作
中要承受高温、高压和化学气氛下的各种复杂载荷作用,因此其材料通常具有极
优异的性能,往往代表着当代材料科学的最先进水平。标志当代高性能固体发动
机的主要特征是:“高能、轻质、可控”,这三者都是以先进材料为基础和支柱的,
选用具有优良比强度和卓越耐热性能的先进复合材料已成为提高发动机性能的一
项决定性因素。
2固体火箭发动机壳体用材料
固体火箭发动机壳体既是推进剂贮箱又是燃烧室,同时还是火箭或导弹的弹
[1]
体,因此,在进行发动机壳体材料设计时,应考虑如下几个基本原则:
a.固体火箭发动机壳体就其工作方式来讲,是一个内压容器,所以壳体承受
内压的能力是衡量其技术水平的首要指标;
b.发动机壳体是导弹整体结构的一部分,所以又要求壳体具有适当结构刚度;
c.作为航天产品,不仅要求结构强度高,而且要求材料密度小;
d.发动机点火工作时,壳体将受到来自内部燃气的加热,而壳体结构材料,
尤其是壳体结构复合材料的强度对温度的敏感性较强,所以,在设计壳体结构材
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料时,不能仅限于其常温力学性能,而应充分考虑其在发动机工作过程中,可能
遇到的温度范围内的全面性能。评价和鉴定壳体材料的性能水平,固然要以最终
产品是否满足使用要求为原则,但从设计选材的角度来说,也应有衡量的指标和
尺度。60年代以前一直沿用航空材料常用的比强度和比模量作为主要衡量指标。
70年代以后,考虑到固体发动机是一种高压容器,选用反映材料容器效率的容器
特性系数PV/W作为衡量指标。目前为止,发动机壳体材料大体经历了四代发展
过程,第一代为金属材料;第二代为玻璃纤维复合材料;第三代为有机芳纶复合
材料;第四代为高强中模碳纤维复合材料。
2.1金属材料
金属材料是最早应用的固体火箭发动机壳体材料,其中主要是低合金钢。其
优点是成本低、工艺成熟、便于大批量生产,特别是后来在断裂韧性方面有了重
大突破,因此即便新型复合材料发展迅速,但在质量比要求不十分苛刻的发动机
上仍大量使用。从容器特性系数PV/W来看,金属材料壳体的特性系数都很低,
超高强度钢通常为5km~8km,钛合金也只有7km~11km,远不能满足先进固体发
动机的要求,因此壳体复合材料化将是大势所趋。
2.2纤维缠绕复合材料
利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体是近代复合材料发展史上的一个重要
里程碑。这种缠绕制品除了具有复合材料共有的优点外,由于缠绕结构的方向强
度比可根据结构要求而定,因此可设计成能充分发挥材料效率的结构,其各部位
载荷要求的强度都与各部位材料提供的实际强度相适应,这是金属材料所做不到
的。因此这种结构可获得同种材料的最高比强度,同时它还具有工艺简单、制造
周期短、成本低等优点。
2.2.1玻璃纤维复合材料
固体火箭发动机壳体使用的第一代复合材料是玻璃纤维复合材料。第一个成
功的范例是
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