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一文盘点高性能碳纤维复合材料在火箭结构中的应用

2023-07-01 17:197260
 大幅降低发射成本是国内外航空航天工业发展主要目标之一,如美国国家宇航局(NASA)指出,其目标之一是在25年内将有效载荷送入地球轨道的成本从目前的每磅10000美元降低到每磅数百美元,在40年内降低到每磅数十美元。

 

而欧洲航天局也表示,它希望阿丽亚娜6号火箭达到或超过每公斤美国“Space X”猎鹰9号有效载荷成本;据估算,对于地球同步转移轨道(大多数卫星所在地)期望成本为7500美元/公斤,近地轨道为3000美元/公斤以下。

 

许多航天工业组织正在追求火箭结构的轻量化,在这种氛围下碳纤维复合材料则成为轻量化首选。目前火箭飞行维持器的主要结构如翅片筒、鼻锥、机身等均可通过采用碳纤维复合材料(CFRP),可以有效降低重量。

 

火箭上段剖面图

 

尤其是对于翅片筒结构,刚度是设计的首要要求,而CFRP具有高比强度和高刚度,经过粗略估计,碳纤维尾翅的重量约为2磅,而金属铝的重量约为5磅,而且碳纤维也具有更高的安全系数。

 


CFRP材质翅片筒结构

 

CFRP在火箭领域应用面临两大难题:其一,其强度随制造工艺的不同而变化很大,其二,与金属材料相比,它们通常在相对较低的温度下失效。

 

第一个问题可以通过仅在刚度是主要设计参数的结构如翅片筒、上机身和鼻锥等使用碳纤维来解决的,而级间结构则采用金属,因为金属可以承受很大的压力。

 

第二个问题的解决方案是通过采用高温、高压釜外(OOC)预浸料系统,特别是TAC公司TC420氰酸酯高耐热性增韧树脂系统。开发这种环氧树脂的部分原因是为了取代波音ORION航天器中的钛隔热板,该树脂具有多种优势:可在仅350°F的温度下进行简单的OOC处理,在500°F的温度下可进行独立式后固化,最终玻璃化转变温度(Tg)为660 +°F,它也能起到良好的烧蚀作用。

 

对于鼻锥结构,国外某型号火箭鼻锥采用TC420 1K碳纤维平纹织物制成,使用18层,最终壁厚为0.1英寸。为了减少层的起皱,在施加了50%重叠的收缩带的施加压力下,一次固化了4-6层,从而产生了10-15 psi的压力范围。叠层后,使用心轴将零件打磨并摆成直角,以将零件固定在车床上。

 

火箭的上机身结构也可以采用CFRP材料,在由德国航空航天中心、瑞典国家航天局和ESA资助项目中,慕尼黑工业大学科研人员针对火箭上机身采用模块化设计,该模块包括一个圆柱形CFRP外壳(直径为356 mm,长300 mm),两个热塑性复合材料径向(径向)载荷输入环,一个凸形和一个凹形,以及用于连接的螺栓(如下图所示)。

 

 

CFRP部段加工

 

CFRP材料由碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)材料制成,与金属铝相比,它具有较高的机械和热性能以及较高的比强度和刚度,最终使重量降低了40%。

 

含CFRP部段火箭结构

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