点击上方

“复材生态圈”

关注我们

　　整流罩结构作为运载火箭和载人飞船的重要组成部分，为运载火箭在穿过大气层时对航天器的有效载荷提供保护，保持火箭气动外形和内部结构免受气动压力影响，整流罩材料耐高温、具有优异的力学性能、具备较轻的结构质量。本文对目前国内外运载火箭用纤维复合材料整流罩材料技术发展现状及应用情况进行介绍，结合未来我国运载火箭用纤维复合材料整流罩的发展需求，展望了我国新一代运载火箭纤维复合材料整流罩发展方向，以期为我国运载火箭整流罩材料的发展提供参考。

图1 运载火箭流罩结构

　　卫星整流罩是运载火箭最重要的舱体之一备良好的气动外形、较轻的结构质量和可靠的分离功能，主要作用是在运载火箭临射和飞行过程中维持气动外形，保护罩内有效载荷不受外界自然环境和气动冲刷的影响，在飞出大气层后从火箭上可靠 分离［1 ］ 。图1为运载火箭整流罩分离状态，整流罩 位于运载火箭前端，在飞出大气层过程中保护运载火箭内部卫星等精密仪器不受热流的侵蚀，当运载火箭飞出大气层后，整流罩不再起作用，此时，为减轻火箭重量，整流罩即与运载火箭分离［2 ］ 。

　　为保证分离前罩内有效载荷与外界的数据传 输，整流罩一般具有透电磁波的功能。目前国内外卫星整流罩主要有金属铆接结构和复合材料结构两大类，金属铆接结构常用材料为铝合金、复合材料结构为具有透波功能的树脂基纤维复合材料［3 ］ 。树脂基纤维复合材料设计制造的整流罩，可以有效减 轻20%－30%的结构重量，提升了火箭的运载能力，在相同载重下，降低了发动机油耗，从而降低了火箭发射成本;此外，树脂基纤维复合材料较金 属材料具有设计性强的优点，可进行一体化设计和制造，减少了结构零部件的数量，提高了结构可靠性;树脂基纤维复合材料优异的耐腐蚀、耐湿热、 耐辐射和抗疲劳等特性，提高了整流罩结构的使用寿命，从而为整流罩的回收提供了可能［4 ］。

　　本文介绍了运载火箭整流罩常用材料，对国内外运载火箭整流罩制造材料和制造工艺研究情况进行了梳理，基于未来我国运载火箭的研制需求、对比分析国内外运载火箭结构技术发展现状，提出我国新一代运载火箭整流罩结构的技术特征主要表现在结构轻质化、设计制造一体化、研制高效化、重复使用化和低成本化等5个方面。

整流罩常用材料

表1整流罩常用纤维性能

　　运载火箭整流罩一般为面板蜂窝夹层复合结构，是蒙皮与蜂窝芯材通过胶膜组成的层状复合结构。面板蜂窝夹层复合结构具有质量轻，比强度高、平面度高、隔音、降噪、减震、工艺性强和可设计性强的优势［5 ］ 。包括面板和蜂窝夹芯两部分， 面板一般为纤维复合材料，具有抗冲击性强、耐腐蚀性强和耐热性能优异的特点;蜂窝夹层目前先进复合材料常采用玻璃钢蜂窝、铝蜂窝、Nomex纸蜂窝、泡沫蜂窝等，具有低导热系数，力学性能优异等特点，满足整流罩隔热要求［6 ］ 。

2.1 面板材料

　　面板结构为整流罩提供气动外形，面板材料为树脂基纤维复合材料，由基体材料和增强材料组成。树脂基纤维复合材料质量轻、强度高、耐高温，具有可设计性强的特点，可在较宽范围内实现透波功能，是整流罩的理想材料，本章梳理了国内外常用的整流罩纤维材料和树脂基材料。

2.1.1 纤维材料

　　树脂基纤维复合材料具有比强度大、比模量高的优点，国内外常用作整流罩面板的高性能增强材料包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等，常用几种纤维材料性能［8－10 ］ 如1所示。

　　碳纤维具有许多优良性能，轴向强度和模量高，密度低，无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，有良好的导电性能和电磁屏蔽性能。已在航空航天领域大量应用［11 ］;玻璃纤维是透波整流罩蒙皮最常用的增强材料，具有强度高、介电性能优异、吸湿性小以及尺寸稳定等优点。石英玻璃纤维是所有玻璃纤维中介电性能最好的，其介电性能在 较宽的频带范围内基本不变化，可实现整流罩的宽频透波性，且石英纤维高温下透波性能优异，目前国外先进整流罩大多已采用石英纤维作为增强材 料［12 ］;芳纶纤维是一种高科技特种纤维，具有高强度和高模量，优异的耐热性能和阻燃性能，应用于航天航空领域，如芳纶防弹衣，头盔等，但芳纶纤维易吸潮这一特性影响介电性能，限制了在透波整流罩领域的应用［13 ］ 。

2.1.2 树脂材料

　　整流罩一般采用高性能热固性树脂作为面板基体材料，包括环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺树脂 (BMI)和氰酸酯树脂(CE)等［14 ］ 。最常用的树脂材料为环氧树脂，环氧树脂热力学性能优异、工艺性强、电气性能优良，一直是复合材料树脂基体的主体，环氧树脂的缺点是耐冲击损伤能力差，在湿热环境下力学性能下降明显，近年来，研究人员一 直致力于向环氧体系中加入柔性基团改善环氧树脂的韧性并提高耐热性［15 ］ 。双马来酰亚胺(BMI)树 脂作为芳香族聚酰亚胺材料，具有优异的耐高低温、高强高模、低热膨胀系数、低介电常数与损耗、低真空挥发份、低挥发可凝物等优点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点，广泛用于航空航天领域，但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大［16 ，17］ 。氰酸酯树脂(CE)是二十世纪八十年代开发的一类新型树脂，具有低介电、耐高温、耐湿热等优 点，主要用于高性能印刷电路板和高性能透波结构材料，其缺点是固化后脆性较大，韧性较差［18 ］ 。为增加树脂体系韧性，BMI和CE一般使用增韧改性后混合树脂体系作为复合材料结构基体，改性后的BMI和CE树脂体系在保证优良耐湿热性能和介电性能的同时，可提高结构的抗冲击强度。

2.2 夹层材料

　　整流罩夹层结构对面板材料起著支撑作用，其性能参数很大程度上影响卫星整流罩透波段的力学性能。夹芯材料应满足以下要求:低密度、平压模量高、剪切模量高、弯曲强度高和介电性能优异等，满足上述要求的整流罩夹层材料主要有以下四种:玻璃钢蜂窝、铝蜂窝、Nomex纸蜂窝和PMI (聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫蜂窝［19 ］ 。

　　玻璃钢蜂窝减重效果不明显且力学性能较差， 在航空领域已逐渐被Nomex纸蜂窝和PMI泡沫蜂窝代替;铝蜂窝和碳纤维面板结合会引起电化学腐蚀，不满足航天器苛刻环境下对于复合材料耐腐蚀要求;Nomex纸蜂窝由芳纶浸渍酚醛树脂制成， Nomex蜂窝和碳纤维面板结合不会引起电化学腐蚀，剪切模量大于PMI硬质泡沫，成本较低、工艺性良好，大量应用于机身、连接件等部位，在航空航天领域应用广泛;PMI泡沫夹层结构在很多力学性能上优于其他蜂窝夹层结构，是一种高刚性硬质结构，抗拉强度达0.5MPa以上，使用密度低于100kg/m3，热变形温度可达240℃，与EP、BMI、CE等热固性树脂具有良好的界面粘结强度，作为夹层结构不易与面板界面脱粘，且PMI结构透波性 能良好，作为整流罩结构材料，在满足载荷条件的同时可实现宽频透波，国外已大量应用在整流罩 上，国内多用于民用飞机的结构部件，新一代运载火箭－长三甲系列运载火箭整流罩前锥采用了国产 的PMI夹层结构，降低了卫星发射成本，应用前景广阔［20 ］。

国内整流罩材料发展现状

　　为满足未来我国运载火箭等航天器整流罩发展需求，国内各个高校及科研院所都以纤维复合材料改性为出发点，设计研制高性能、低成本的纤维复合材料，增强了运载火箭进入空间的能力，降低了运载火箭的发射周期和成本。

　　在运载火箭整流罩树脂基材料研究方面，中科院化学研究所杨士勇等［21 ］ 开发出了包括第一代耐 316℃、第二代耐371℃、第三代耐426℃等系列聚酰亚胺树脂基体，并针对耐高温碳纤维增强树脂基复合材料发展了包括真空热压罐工艺、真空高温 ＲTM工艺、反应性热模压工艺等不同成型方法。贺国文［22 ］ 分别对聚酰亚胺复合材料的制备和界面结 合强度进行了微观分析研究，为聚酰亚胺复合材料的在飞行器整流罩上的应用提供了参考。吉林大学的饶先华［23 ］ 开展了高性能苯乙炔基封端的聚酰亚 胺树脂基体及其碳纤维复合材料研究工作，为耐高 温聚酰亚胺碳纤维复合材料整流罩的发展开拓了视 野。航天材料及工艺研究所研制出了石英增强的聚酰亚胺复合材料，可以在370℃的高温环境下长期使用，而且该材料具备了较低的介电常数和介电损耗，性能稳定，具有良好的介电性能和力学性能， 可以选为透波/高承载的功能材料［24 ］ 。张醒等［25 ］ 设计的全透波卫星整流罩采用玻璃纤维面板－芳纶纸蜂窝夹层结构，经试验验证实现了全向平均90%透波率的高效透波能力，并在减重超过20%的情况 下，承载能力仍满足设计要求，实现了轻质高承载和全向透波功能，并在飞行试验中得到验证。哈尔滨玻璃钢研究院曲广岩［26 ］ 采用高强度碳纤维复合材料共固化工艺设计出一种轻质高强、厚度可控的复合材料整流罩结构，克服了大型一体化成型技术带来的模具设计难题，高强度碳纤维复合材料整流罩在保证大尺寸的同时可维持气动外形，保护罩内有效载荷不受外界环境影响。

国外整流罩材料发展现状

　　在运载火箭整流罩材料设计和制造方面以美国的技术最为先进，整流罩材料包括无机材料和有机材料等，成型工艺包括真空袋法、模压法、浇灌法等，并拥有齐备的整流罩性能检测和实验手段、真实环境试验的风洞技术条件［27 ］ 。上世纪70年代美国研制出Duroid5870复合材料，同时还完成了整流罩热加载、高温电性能、烧蚀和抗雨蚀等试验，并研制了用于电性能测试的整流罩自动测试设备［28 ］ 。目前，耐高温有机树脂基复合材料(HTPMCs)体 系中，美国研发的PI树脂(PMＲ－15与PMＲ－50)已成为航天工业的基础材料，大大推动PI复合材料在大型结构部件中的应用并降低成本。石英 纤维的优异介电性能，易于实现宽频透波，国外运 载火箭整流罩大多已选用由石英纤维复合材料制备，美国已研制出石英纤维增强PI树脂复合材料整流罩结构，使用温度高于538℃［29 ］ 。俄罗斯拥有的世界领先水平的复合材料制备技术，在研制应用先进耐高温材料的同时，发展了适用于宽频带整流罩和电磁/红外双模整流罩的新型复合材料，同时 加强对整流罩的加工和制造技术研究，着重关注整 流罩的结构设计和电气性能的设计［30 ］ 。俄罗斯发展的改性酚酸树脂的工艺性能和透波性能均达到非 常高的水平，其最高使用温度达到600℃，已在宽频整流罩上得到成功应用［31 ］ 。

结语

　　尽管国内在蜂窝夹层复合材料整流罩的制备技 术上取得了大量的研究成果，但纤维复合材料工艺性不佳、产品性能稳定性不够等原因，限制了其在航空航天等领域上的应用，随着制件形状复杂程度的增加，性能要求及减重要求不断提高，需要进一步加强对纤维复合材料成型工艺、蜂窝夹层材料成型工艺以及其胶膜的研究，以提高产品的质量及可 靠性;新一代运载火箭对整流罩结构提出整体高效 透波、质轻、高承载等要求，研究人员需加强对介电性能优异的树脂材料和纤维材料进行选择分析与试验验证;随着我国航空航天的快速发展，高性能整流罩对纤维和树脂提出更高要求，故降低整流罩 纤维和树脂等原材料的设计制造成本，加强对整流罩的回收应用，缩短运载火箭发射准备时间，提高 运载火箭发射成功率也是科研人员的目标。

　　综上所述，运载火箭整流罩将朝着结构轻质化、设计制造一体化、研制高效化、重复使用化、 低成本化等方向发展。

于德润1，张松1，陈浩然1，2，荆佳奇2，曲广岩2(1.火箭军装备部驻哈尔滨地区军事代表室，哈尔滨150028;2.哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，哈尔滨150028)

版权声明：复材云集尊重版权并感谢每一位作者的辛苦付出与创作；除无法溯源的文章，我们均在文末备注了来源；如文章视频、图片、文字涉及版权问题，请第一时间联系我们，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！

扫一扫关注我们，更多咨询早知道！