1984年美国固体火箭推进技术的成就

1984年美国在空间、战术、战略固体火箭推进技术方面有以下一些成就:航天飞机航天飞机的固体发动机,飞行性能仍然良好。发动机部件的回收、修复和重复使用,仍然达到了预期要求,有些部件已经飞行了三次。石墨纤维缠绕壳体的开发工作已取得相当大的进展。航天飞机固体助推器如使用这种壳体,可使从范登堡美国空军基地发射到低地球轨     

1985年固体火箭的主要成就

1985年是固体火箭技术在航天应用方面非常活跃的又一个年份。莫顿—锡奥科尔公司进行了两次石墨纤维缠绕壳体发动机的地面试车,证明了这种发动机能把航天飞机的有效荷载能力提高4600磅。这种石墨纤维缠绕壳体是赫克力斯宇航公司制造的。它的最后鉴定试验是在9月份进行的。为了进行定于下一年的首次飞行,该发动机的所有各段已运抵加州的范登堡空军基地。在6月份,航天飞机创造了一项“第一”,当时,麦克唐纳—道格拉斯公司制造的有     

航天飞机固体火箭发动机设计评述

为航天飞机固体火箭发动机的研制制定设计条件是很必要的,这些设计条件具有三个新颖独特的特征: (1)固体推进系统首次用于载人宇宙飞行。 (2)航天飞机固体火箭发动机是当今最大的固体火箭发动机。 (3)固体推进系统首次设计成可回收修复并重复使用。这些新颖的特征规定了在航天飞机固体火箭发动机研制中,需要采用以往的成熟工艺及制造方法,保证可靠性是头等重要的。本文评述了航天飞机固体火箭发动机,从用于STS-1飞行的原设计到目前研制的新一代固体火箭发动机。这种新一代固体火箭发动机采用了石墨环氧纤维缠绕壳体。     

采用改进型固体发动机的大力神火箭首飞成功

采用改进型团体火箭发动机（SRMU）的第一枚大力神-4B运载火箭,于1997年2月22日成功地发射了一颗导弹早期预警卫星．这次发射成功,标志着美国自1986年"挑战者"事故以来,在推进系统方面取得重要进展．由阿里昂特公司制造的改进型固体火箭发动机有以下几个主要特点：（1）发动机分段较少;长约34m的新发动机采用了3段式纤维缠绕石墨复合材料壳体,而大力神-4A用的发动机采用7．5个分段的钢壳体。（2）现场接头较少而且性能较好。大力神-4B用的改进型发动机只有3个关键的现场接头,而大力神-4A有物发动机有7个接头．另外,新发动机的现…     

新一代的固体火箭发动机壳体材料

近几十年来,国外在固体火箭发动机复合材料壳体的研制方面,有了很大的进展。六十年代初期,美国用玻璃纤维作北极星A2、北极星 A3、海神 C3等导弹的发动机壳体材料,与金属材料相比,强度是钢的两倍以上,重量可减轻60%左右。七十年代中期研制成功了凯夫拉49纤维,用于三叉戟Ⅰ、MX 等导弹上,较之玻璃纤维,重量轻35%,且复合材料的环向模量增加70%,特性系数由2.1×10~6厘米增至3.3×10~6厘米。近几年来又研制了高强度石墨纤维,这是新一代的固体火箭发动机壳体材料,如果用它来代替 MX 导弹所用的凯夫拉材料,还可减少结构重量20～30%。据称,石黑纤维壳体的尺寸稳定性优良,可以减少推进     

美国为三叉戟—2研制石墨纤维缠绕壳体

赫克力斯宇航分公司研制了一种全尺寸、全石墨纤维的火箭发动机壳体,并成功地进行了试验。这是三叉戟-2先进研制计划的一个组成部分。这种直径为1.88米的壳体是用 AS4石墨纤维制成的。爆破试验表明,壳体强度、容积和重量诸特性均是优良的。初步试验说明,这种材料可能是三叉戟-2计划的一种有希望的待选材料。用这种纤维制     

日本研制一种新型碳/碳耐高温复合材料

日本宇宙开发事业团在研制“大和”小型航天飞机上,采用了一种碳/碳耐高温复合材料。该材料拟用在发动机喷管和航天飞机返回大气层时承受高温的壳体主翼底面等处。此种复合材料采用将碳纤维浸入碳粒子之中的方式,使烧蚀趋近于零,强度也相当     

航天飞机的固体火箭发动机

本文介绍了航天飞机用的助推固体火箭发动机(SRM)。其类型分为三种:当前执行任务的标准SRM,空间飞行运输8号用的高性能SRM;以及计划在1985年飞行用的纤维缠绕壳体SRM。航天飞机的SRM是获得飞行状态中最大的固体推进剂发动机,其直径为146英寸,长度为125英尺,装有1111000磅固体推进剂,最大推力(真空条件下)为3115000磅力。在首次飞行前成功地进行了7次地面试车,随后的三次飞行试验满足了发动机的全部技术指标。计划提高航天飞机的性能,从东海岸发射的有效载荷达到65000磅,在西海岸发射时(极轨道)达到32000磅。航天飞机性能提高是由于:1.采用高性能的SRM使航天飞机的有效载荷增加3000磅。2.SRM使用纤维缠绕壳体结构使航天飞机的有效载荷增加6000磅。前者靠改变SRM的推力——时间曲线和提高喷管的膨胀比来实现;后者靠减少壳体的消极重量来实现。     

美航空喷气公司的合成纤维缠绕的发动机壳体水压试验成功

不久前,航空喷气公司对一发用“杜邦”合成有机纤维缠绕的大型发动机壳体进行了水压试验,并获得成功(如下图所示),它将用作M—X 的发动机壳体。在同样承载能力下,该壳体较玻璃纤维壳体为轻。公司吹嘘说,壳体能够承受的压力,显著的超过了设计指标,证明航空喷气公司研制合成有机纤维壳体的技术是先进的。据称,研制的合成有机纤维壳体应用范围广泛,除用作M—X 壳体外,还准备用于空军空间和导弹系统组织航天飞机用临时(Interim upper stage)末级固体发动机壳体.     

航天飞机纤维缠绕壳体的抗压强度研究:第一部分—试验

航天飞机起飞的瞬间,其主发动机的点火给予固体火箭助推发动机的纤维缠绕壳体一个很大的弯矩,使复合材料壳体的尾部受到了很大的压缩载荷。由于连接的需要,复合壳体尾部具有很复杂的设计,涉及到嵌入的布带和螺旋层减薄问题。为了研究发射瞬间加载状态下的纤维缠绕壳体性能,开始了试验和分析的综合研究。本文将叙述试验计划的研究结果,包括几台全尺寸和300多台缩比壳体的试验。该计划从短期研制工作开始,其目的是要确定适合的缩比试验样品,以便测定材料的抗压强度。一旦缩比样品确定之后,就开始实施更全面的试验计划来确定缠绕壳体的工艺和设计参数变化对强度的影响。为了验证分析预测的有效性,在模拟发射瞬间的弯曲状态中进行了全尺寸壳体试验。在所有的试验中特别注意观察壳体破坏的顺序,即载荷从螺旋层薄弱部位传递到坚固布带终止部位的复杂过程。     

大型玻璃纤维/环氧复合材料壳体开孔补强工艺技术研究

简要介绍了壳体开孔处的补强方法,采用补强环对某大型玻璃纤维/环氧复合材料壳体前封头开孔进行合理补强。试验结果表明:对壳体开孔部位采用补强环补强比用补强布补强的效果好,壳体纤维铺层设计与补强有机地结合是带有多喷管壳体优化设计的重要方法。壳体在前封头开孔进行合理补强后,纤维发挥强度提高约12%;壳体水压爆破时封头、筒身段同时破坏,纤维强度得以充分发挥。     

PRD49—Ⅲ/环氧和凯夫拉49环氧复合材料压力容器的老化结果

凯夫拉49/环氧复合材料由于高的比强度,正逐渐用于结构材料。目前已用于三叉戟发动机壳体和航天飞机的各种压力容器。一九七九年我们发表了用凯夫拉49试制品制作的圆筒压力容器的初步老化结果,这种试制纤维称为PRD49—Ⅲ。本文完整地报导了持续十年的老化数据,给出了用凯夫拉19正式产品绕制的球形压力容器老化七年半的数据。     

混杂复合材料的成型工艺及在固体发动机上的应用

介绍了混杂复合材料的类型和混杂纤维与基体的相容性，分析了纤维混杂对复合材料性能的影响，通过实验论述了混杂复 材料固体发动机壳体和裙的设计方法、成型工艺及试验结果，对几种新型壳体缠绕成型工艺进行了讨论，提出了在固化发动机上应用混杂复合材料的建议     

美国研制石墨/环氧发动机壳体

最近,美国对一种六十年代空间飞行器的火箭发动机进行改进,作为两级空射导弹的顶级使用。这种发动机采用石墨/环氧发动机壳体。性能研究结果表明,这种壳体具有很大的优越性。如在承受导弹的较高速度,较大射程和较大飞行高度方面,比现在应用的玻璃纤维/环氧发动机壳体具有更大强度和刚度。用 T300型石墨纤维代替 S901玻璃纤维缠制的发动机壳体,重量减轻     

F-12/S-2混杂纤维复合材料壳体承载能力

为解决某型固体火箭发动机壳体承外载荷能力与质量系数难以协调的问题,通过试验测试了F-12纤维与S-2纤维层间混杂复合材料的抗压缩性能,利用混杂纤维优势提出了壳体改进方案,并进行了有限元分析。试验结果和有限元计算表明,壳体裙外铺层采用F-12/S-2混杂纤维,使壳体承外载荷能力大幅提高,混杂纤维优势得到充分发挥,解决了工程难题。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

温度与湿度在各种复合材料的纤维/基体界面上产生的应力

本文采用弹塑性细观力学分析法研究了由于降温和随后的吸湿作用,在复合材料中,特别是在纤维/基体界面上所产生的应力。分析了四种聚合物基体复合材料,它们是高、中、低模量的石墨纤维、S 玻璃纤维与常用结构环氧为基体的复合材料。假定纤维体积含量为60%,采用了 GY—70,HMS 和 AS 石墨纤维、S 玻璃纤维和 Hercules 3501环氧的实测性能数据。     

纤维缠绕助推器将采用新型的O形环设计

纤维缠绕的航天飞机固体火箭发动机壳体将开始采用锁位设计件(Capture designfeature),使O形环密封圈不会由于接头的转动而移动位置。范登堡基地第一次航天发射用的轻质发动机,在高强度合金的锥限(tang)内侧加有锁位件。锥根围绕O形密封装置形成支撑,使接头在发动机的点火压力下不致转动。基地地勤人员正在组装四段石墨/环氧同筒段,预计组装工作在三月初完成。锁位件己在纤维缠绕研制发动机的两次静试车中成功地进行了试验,第三次地面试车原定于去年秋季进行,但由于马歇尔航天中心的结构试验失败而延后,从而也推迟了范登堡的航天飞机的发射日期。静试车试验又重新安排在2月13日,但由于挑战者号的爆炸,     

纤维缠绕固体火箭发动机壳体大变形有限元分析与仿真软件介绍

将全拉格朗日（Ｔ．Ｌ）法用于轴对称大变形问题，并对纤维缠绕固体火箭发动机壳体进行有限元分析，在此基础上完成了纤维缠绕复合材料壳体大变形有限元分析软件的编制，对壳体的缠绕情况，有限元网格划分、应力、应变、位移等的有限元计算进行一体化仿真。     

炭纤维复合材料壳体封头新型环向补强的数值模拟及试验

针对内压承载工况下炭纤维复合材料壳体封头的补强问题,基于网格理论完成了不同封头补强方式的480 mm纤维缠绕壳体的设计;利用商业有限元软件Abaqus和二次开发语言Python建立了含有补强结构的复合材料壳体的细观仿真模型,并通过数值仿真方法对接头附近的封头环向、纵向补强结构的补强作用规律进行了计算研究;通过壳体产品研制和水压试验研究了不同补强方法的成型工艺性和对内压承载性能的提升效果。结果表明,采用环向补强技术的封头内压下具有更低的纤维方向应变和层间剪切应力;采用环向补强技术的封头内压下具有更大的轴向变形,更小的法向变形,与纵向补强方法结果相反;采用环向补强壳体的封头内压承载性能和稳定性能明显优于纵向补强方法;采用环向补强的复合材料壳体容器特征系数比纵向补强复合材料壳体提高了约5%。