固體火箭發動機增強復合材料殼體標準化現狀

王鍇 薛豐 馬群 黃香凝 楊科 王華斌 陳祺 李冰

關鍵詞：纖維增強復合材料，標準化，固體火箭發動機殼體

0 引言

玻璃鋼GFRP用玻璃纖維的工業化生產最初是在1938年，由美國OCF公司開始的。20世紀60年代開始開發高模量、高強度纖維，硼纖維增強環氧樹脂復合材料BFRP和碳纖維增強環氧樹脂復合材料CFR P由于質量輕、剛度高、強度高而成為候選材料。我國復合材料工業始于1958年成立玻璃鋼7人研究小組，開始研究玻璃鋼工藝與產品，并在后續開展了纏繞成型高壓容器等研究工作[1]。近年，隨著纖維增強復合材料的不斷發展和應用，固體火箭發動機用金屬材料逐漸被纖維增強復合材料所取代，并形成了一系列符合我國固體火箭發動機殼體增強復合材料發展需求的設計、工藝、測試等技術標準。

1 纖維增強復合材料殼體

復合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組成的多相材料。復合材料具有優于其各組分材料的綜合性能，通常稱復合材料中的連續相為“基體材料”，不連續相為“增強材料”。用于固體火箭發動機殼體的復合材料多是纖維增強的塑料基復合材料。與各向同性的單一金屬材料相比，復合材料有以下主要優點。

（1）可設計性強

復合材料殼體可設計性明顯增強。金屬殼體的材料、結構形式及結構尺寸確定后，其承載能力基本確定。而復合材料殼體的材料、結構形式及結構尺寸確定后，還可以通過對纖維復合材料鋪層方式的設計、補強方式的設計、纏繞張力的設計、基體樹脂含量的設計等，使殼體的承載能力發生變化。

（2）比強度和比剛度高

材料的強度與密度之比為該材料的“比強度”，材料的彈性模量與密度之比為該材料的“比剛度”。對一定的材料，比強度和比剛度都是材料常數。對固體火箭發動機殼體來講，材料的比強度和比剛度是重要的性能指標。

（3）結構可靠性高

一般金屬材料，尤其是高強度金屬材料對裂紋缺陷敏感，與此相反，由于復合材料的多相性，裂紋缺陷不容易擴展，所以對缺陷的敏感性較低。當有少量纖維斷裂時，其載荷會迅速重新分配在未破壞的纖維上，使結構仍有承載能力，不會導致突然性的破壞。

（4）成型工藝好

復合材料制造工藝簡單，適合整體成型。能用模具制造的構件，可采用一次成型，從而減少了零部件的粘接界面及組焊、裝配等，同時也節省了原材料和工時，縮短了加工周期。

（5）減震性能好

結構的自振頻率與結構的形狀有關，也與材料的比剛度有關，自振頻率與材料的比剛度的平方根成正比。結構的自振頻率較高時，可以避免工作狀態下的共振而引起的早期破壞。同時，纖維與基體界面具有吸振能力，具有較高的振動阻尼。

目前，固體彈道導彈對殼體的基本要求如下：殼體必須具有足夠的強度和剛度，以承受發動機工作時內壓載荷和外載荷的作用；結構質量應盡量輕，以提高發動機的質量比；結構合理，做到連接可靠，且在滿足總體要求的前提下，縮短軸向尺寸；工藝性好。綜上所述，用纖維復合材料作為固體火箭發動機殼體的材料具有許多優越性。這也是其應用日益廣泛的原因，并且已逐漸成為固體火箭發動機殼體的主體材料。

2 標準化現狀

2.1 國外標準

對于纖維增強復合材料相關的原材料性能規定，復合后的力學性能等，國外形成了一系列相關標準。其中，ASTM D30.04單層和層壓板試驗方法，制定復合材料拉伸、彎曲、壓縮、剪切、疲勞、玻璃化轉變溫度和試驗板制備等20項相關標準；ASTM D30.05結構試驗方法，制定層合板開孔/充填孔力學性能，復合材料損傷阻抗、剩余強度、抗穿透性和多向層合形式的結構設計性能等15項相關標準；ASTM D30.06層間性能，制定復合材料Ⅰ型、Ⅱ型和混合型層間斷裂韌性、層間強度和分層疲勞性能等6項相關標準[2]。

同樣，美國軍用標準公開發布的復合材料標準包含：聚合物基復合材料、金屬基復合材料、聚合物基復合材料手冊[3]，除與上述ASTM標準類似的標準外，也建立了一系列復合材料無損檢測方法用于對其制品的性能進行評估，其主要標準見表1。

2.2 國內標準

我國纖維增強復合材料相關標準的制定發展很快，由全國纖維增強塑料標準化技術委員會歸口管理的國家、行業標準有130余項，涵蓋了材料的物理性能、力學性能、化學性能、疲勞老化性能等測試標準[4]。同時，也形成了一些固體火箭發動機復合材料增強殼體的產品類、工藝以及檢測方法的標準，部分標準見表2。

依據檢索到的相關標準分析，我國固體火箭發動機殼體用增強復合材料相關的原材料標準和試樣標準，已經形成了較為完善的性能測試標準體系。

在復合材料發動機殼體相關設計方面，由于復合材料設計方法、理論的多樣性和保密性，如：網格理論、最大應力理論、最大應變理論、Hill-蔡強度理論、蔡-吳理論、各類有限元分析方法，很難形成有效、統一的設計方法；現有復合材料發動機殼體的相關試驗測試標準，對規范生產、提高產品質量推動行業的技術進步起到了很大作用，但標準相對比較零散，缺乏頂層設計規劃。同時，在復合材料發動機殼體無損檢測，干濕態、高低溫、化學介質腐蝕等極端環境下的物理性能、疲勞性能，性能考核評估等方向的研究不足，數據積累不夠，無法為新型固體火箭發動機研制以及新材料的研制和使用提供有效的標準化技術支撐。

3 標準化工作建議

3.1 國產材料

目前，世界上碳纖維生產技術主要被赫克塞爾（Hexcel）、東麗（Toray）、東邦（Toho）等美日企業壟斷，其中以日本東麗碳纖維性能最好、產量最大，在世界碳纖維行業獨占鰲頭。我國的碳纖維一直依賴進口，嚴重影響我國的國家安全領域，也嚴重制約了高新技術的發展。隨著我國科技水平的不斷提升，碳纖維行業得到了國家的大力支持，通過不斷的發展，我國許多企業如：中復神鷹、中科院山西煤化所、吉林石化等，已經具備了一定的碳纖維生產能力，對于國家具有重要戰略意義。

隨著國產碳纖維材料的研究、生產、應用，其替代國外相應材料的過程，不僅是質量性能的對比，也是諸多材料標準產生和對原有標準更新迭代的過程。因此在新材料基礎研究的同時，也要加強相關標準的制修訂。運用標準化的手段既保證了碳纖維研究的規范化、統一化，也保證了國產材料性能基礎研究的充分性。同時，通過國內外標準的對比，歸納出材料之間的差異，對國產碳纖維性能進行全面系統的評價衡量，為我國碳纖維的發展提供參考依據，對解決航空航天等關鍵領域的材料發展瓶頸具有重要的意義。

3.2 高性能全復合材料殼體

“輕質”是高性能固體火箭發動機的重要標志，全復合材料固體火箭發動機是近年的研究方向之一，而裙和接頭作為殼體的重要連接件，其復合材料化就成為了全復合材料固體火箭發動機的關鍵技術。

隨著復合材料成型技術的發展，復合材料裙已經逐漸代替了金屬連接裙，并從早期的單一玻璃纖維復合裙發展到高性能混雜和全碳復合裙，同時基于復合裙的應用需求，國內也形成了關于復合裙制備的樹脂傳遞模塑、鋪放、真空注塑等工藝方式。但復合裙相關研制成果尚未延伸形成標準，制備方法類的標準化研究工作相對滯后，建議總結已有的技術成果及時形成技術標準，并在后續開展相關技術研究的同時同步開展標準化研究工作。

現階段，國內復合材料殼體的接頭仍采用金屬材料，其安全系數普遍偏高，消極重量大，不能滿足發動機輕質高效的發展方向。國外在很早就開展了復合材料接頭的研究，美、法兩國聯合研制的SED/CSD發動機，采用復合材料制作的殼體和接頭，進行了相關試驗并取得了成功。我國近年也開展了復合材料接頭的相關研制，隨著材料科學的發展，新材料新工藝方法不斷出現，例如：陶瓷基復合材料、三維編制復合材料等均為復合材料接頭的研制提供了可能，并取得了一些技術成果，但仍處于技術研究階段，未形成有效的技術標準。

4 結語

綜上所述，纖維增強復合材料在固體火箭發動機殼體上的應用已經日趨成熟，為保障發動機殼體使用的復合材料先進性和可靠性，亟待建立相應的考核評價標準，進一步規范復合材料在發動機殼體上的應用，完善補充固體火箭發動機用復合材料在設計、工藝、材料、試驗測試等技術標準上的缺項，實現標準體系的全覆蓋。同時，建立起有效的標準化體系，依靠持續改進的PDCA循環等標準化管理方法，保障新材料、新工藝方法的研發與標準化研究工作的同步進行，及時將技術成果通過標準化的形式進行固化，有效地對固體火箭發動機增強復合材料殼體形成標準化技術支撐。