碳/碳复合材料

引言近年来,欧洲动力公司(S.E.P.)对固体发动机喷管部件所用的碳材料,特别是碳/碳材料进行了研制。喷管材料具有耐烧蚀的特性,要经受3000℃以上的高温。由于喷管性能要求非常高,材料必须具有良好的耐烧蚀性能和较低的比重。考虑到在大多数喷管里,化学反应发生在还原介质中,我们认为所能使用的耐热材料中,碳是最可取的。在此文中,我们不评述构成喷管部件的碳结构材料,只简要地论述多晶石墨、热解石墨、碳增强酚醛复合材料和碳/碳材料,侧重介绍后两种,这是欧洲动力公司重点研制项目。     

编织碳/碳喷管的研制

本报告讨论了一种先进的碳/碳材料的研制及其在固体火箭发动机喷管中的应用。这项研制工作是莫顿·锡奥科尔公司瓦沙奇分部研究与发展计划的一部分。1981年,莫顿·锡奥科尔公司研制的二维碳/碳出口锥成功地通过了试验。但是,这种材料缺乏足够的轴向刚度,并显示出较低的层间强度。因此,进一步研制了一种新的使用整体轴向和径向碳纤维的连续四维编织物。材料的特性试验表明,这种材料具有突出的力学性能:抗拉强度为2.068×10~8Pa,而且有较高的破坏应变和较低的模量。喷管用机械加工方法预制成型,因而制造成本较低,研制投产时间较短而且材料价格便宜。另外,由于排除了人为因素在生产过程中的影响,因而具有较高的可靠性。通过喷管内轮廓上纤维束的定向排列可以得到近似的编织形状和厚度的部件。为1985年静态试验用的整体喉部出/入口锥(ITEC)和常规出口锥构件已经制成。     

远地点发动机碳/碳喷管的进展

本文试图分析近五年来远地点发动机碳/碳喷管的设计进展。第一代碳/碳喷管的特征是:①用多向增强的碳/碳编织的小型整体的喉衬和入口段(整体的喉衬和入口段以下简称 I.T.E);③薄壁的碳/碳出口锥与 I.T.E 用螺纹连接。出口锥前端的直径小,引起了振动特性问题和制造成形困难。为此所作的一项改进是加大出口锥前端的直径,这样产生了一个新的无支撑延伸的 I.T.E 方案。最近有一项改进具有当前技术水平,就是用新的 V 式锥形接头代表出口锥和 I.T.E 之间的螺纹接头。本文讨论了这些不同设计的优点和试验结果。远地点发动机喷管设计的下一项改进将是采用陶瓷/陶瓷材料把喷管与燃烧室连接起来。     

可延伸出口锥的研制与试验

1979年法国欧洲动力装置公司(SEP)开始研制可延伸出口锥(EEC)。共进行了六发点火试验,均取得成功。下一发点火试验计划在1987年6月进行,届时,将对四种不同方案进行评估,其中包括折叠花瓣式及套筒锥式两种方案。EEC是固体火箭发动机喷管的一个复杂部件。为了提高它的可靠性及降低研制成本,设计必须尽可能简单。碳/碳部件采用三向增强细编织结构,可以做到设计简单,适用于目前既复杂又能装配的结构。如花瓣式和套筒锥式就可以采用这种称为SEPCARB NOVOLTEX材料。     

美国固体发动机碳/碳喷管材料现状

本文是关于美国碳/碳喷管材料近况的综述文章。原文没有作者,所以也没有出处,标题是我们自己加上的。本文是我国的一位专家从国外带回的一位美国教授整理的资料。我们在内容和文字上做了些精减,但据我们对美国碳/碳喷管材料现状的了解,这是一篇较为难得的材料。对于从事碳/碳材料研究的人员,可以较为真切地了解多维编织,浸渍碳化复合工艺的动向;对于使用碳/碳材料的设计人员也许可以从中吸取一些对设计工作有益的经验。将碳/碳复合材料成功地用于固体火箭喷管设计是一个很复杂的问题。这种碳/碳复合材料的特性是:在复合过程中,它要经受相似甚至大于火箭发动机工作时间的应力应变;因此进行喷管热结构分析时,要求充分熟悉这种复合材料是怎样制备的,此外,由于材料的基本组分因部位而异,也足以严重影响预测结构合理性的置信度等。本文介绍了为解决上述问题,多年未进行的相关的逻辑的成果。在所提及的三个主要项目中,阐述了其工业生产能力和最新的技术水平。这三个项目是:生产与质量保证;烧蚀预测与控制;结构设计与分析。最后又按这三大项的分类,或按其适用范围的方式,对本文提出的问题的各个方面作出总的评价。     

低成本的压缩模压喷管和树脂传递模压喷管

近年来,美国联合技术公司化学系统分部验证了两种低成本的模压喷管,它们可代替目前常用的布带缠绕的碳酚醛喷管。这两种低成本的模压喷管分别采用模压碳纤维填充的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和树脂传递模压(RTM)碳酚醛两种方法成型。 一、PDMS压缩模压喷管 用6种侯选材料分别制成了6台缩比喷管,并在1.8kg发动机上进行了试验。推进剂是84％固体/16％铝粉的PBAN配方。这6种侯选材料是:(1)MXE C926,它是碳织物增强的PDMS;(2)MXE C216,不连续碳纤维增强的PDMS,碳纤维含量40％(重量);(3)MXES602,氧化硅织物增强的PDMS;(4)HTPB,HTPB(R—45—A5)     

NOVOLTEX 三维碳-碳整体式喉衬和出口锥试验

法国欧洲动力公司研制出一种商标为 NOVOLTEX 的性能优异的新型三维增强碳-碳材料,这种材料的超细编织结构可以制成很薄的喷管出口锥,同时它也象常规三维碳-碳材料一样,适合制作喉衬等部件。它的优异性能,可使其设计制成的入口段、喉衬、出口锥组合成一个整体式喉衬和出口锥(ITEC).本文报导了美国空军宇航实验室对 NOVOLTEX 作为 ITEC 的评定结果。     

先进固体火箭发动机(ASRM)喷管简介

ASRM 喷管装置主要包括两个组件,即前喷管和后出口锥。前喷管由柔性密封接头和绝热体组成,它具有8°全轴推力向量控制的能力.柔性密封接头是由 D6AC 钢增强片、天然橡胶垫片和 D6AC 钢前、后端环组成.接头被安装到有绝热层的 D6AC 固定座以及7050铝制整体头部入口和喉部支撑罩上.喷管头部入口和喉部的火焰表面烧蚀环用标准密度(1.45g/cm~3)的碳布酚醛带缠绕制成,前喷管组件的出口锥烧蚀层也     

美国三个主要公司为MX导弹研制可延伸喷管

赫克力斯公司,航空喷气固体推进公司和联合工艺公司正在为MX 洲际弹道导弹第二级研制可延伸喷管出口锥。目前已在进行点火试验。赫克力斯公司研制的可延伸喷管是采用碳一碳可扩张的皱褶裙(expandableskirt)。该装置已进行发动机点火试验。膨胀比88:1,喉径2时(50.8毫米),燃     

固体火箭发动机碳/碳喷管喉部表面消蚀的气热化学分析

本文对先进大型固体发动机碳/碳喷管喉部的消蚀过程进行了气热化学分析,分析认为碳/碳喷管喉部表面消蚀的主要原因是水蒸气对碳的化学侵蚀.分析过程中应用了几个专有的数值计算程序,并用碳/碳材料表面消蚀速率和表面粗糙度的实验结果作了验证.计算结果表明,在模型中采用的从点火开始时平滑的初始碳/碳材料表面的层流附面层转变为稳定工作时粗糙的烧蚀碳/碳表面的紊流附面层状态时的假设,使实测消蚀数据和预测值十分吻合.     

H—I末级固体发动机采用的新材料

日本的H-I是一种发射550kg级卫星的三级运载火箭,它对末级发动机(包括第三级发动机和远地点发动机)的性能及可靠性要求相当严格。为了提高发动机的性能和减轻质量,在研制过程中,发动机壳体、喷管喉衬及绝热层等部件都采用了最新材料。1.2维C/C材料2维C/C材料与过去使用的碳纤维增强材料(CFRP)相比,具有耐热、高温下拉伸强度高等特点。     

印度研制的碳酚醛模压喷管喉部入口段烧蚀层

碳酚醛复合材料由于高的耐烧蚀性,已广泛地用作能承受严酷加热环境的火箭喷管烧蚀层。烧蚀层可用布带缠绕或玫瑰花瓣模压制成,从而获得按要求取向的叠层受气流作用。固体火箭发动机潜入型喷管喉部入口段由于燃烧产物的环流作用,不得不经受严酷的加热环境和粒子冲刷,这要求具有各向异性的烧蚀层材料能均匀烧蚀,预防改变气流路线。目前使用的材料有碳/碳或碳酚醛,尽管3D碳/碳具有所要求的各向异性和耐烧蚀性,但需专用工艺设备,并且价格昂贵。印度已将可变叠层取向的两层或多层碳酚醛烧蚀层用于大型喷管。     

适用于检验石墨及碳/碳复合材料的改进射线照相法

本文叙述了空军材料实验室(AFML)在关于检测块状石墨及碳/碳复合材料微缺陷方面所进行的工作,提出了一些优良的射线照相法。用对比液体如四溴乙烷(TBE)浸泡,使影象质量及灵敏度有显著的改进,能分辩石墨中的微孔结构和微裂纹,并可提供较清晰的复合材料的编织型式。如果将试件埋置在已知射线照相均匀性和原子序数相近的材料中,当测定厚度有变化的部件(如鼻锥、喷管等)时,将有助于射线照相法。埋置方法使出现在相近厚度范围内的缺陷,具有更均匀的厚度。以便提高检测能力。摄影接触印相机与对比度大的感光乳剂配合在一起,可为检测微缺陷提供更多的信息。     

多向Sepcard碳—碳复合材料的力学分析进展

等温有限元模型业已取得良好进展,它首次用于4向(4D)碳—碳材料的热结构分析,并推广用于其它多向(nD)复合材料。从本质上讲,复合材料各向异性和非弹性性质的预估,要由各向同性的弹塑性材料(基体加界面)和弹性正交材料(均匀化杆组成的网络)叠加求得。加上模型的热塑性能使之能更好地描述热试车过程中 nD 整体喉衬入口段(ITE)的真实状态,尤其是,用经典弹性和轴对称热结构分析,可能大大低估了应力。另一方面表明,由4D 碳—碳复合材料试验研究得到的复合结构的基本性质可用于由同样成分制作的其它nD 织物结构。这样,无需用复合材料的具体特性,就可以预估出一个6D 碳—碳环的性质。     

推力向量控制技术的论证

大西洋研究公司(ARC)与法国欧洲推进公司(SEP)共同进行先进向量控制方案的设计和论证试验。方案之一是超声速分离线喷管,该推力向量控制试验系由曾在标准(轴向)试车台进行过试验的基本型弹道发动机在ARC的多分力试车台上完成的。超声速分离线喷管是在60年代研制的一种很有希望的方案,由于受当时材料的限制而放弃了;随着喷管材料的新发展,证明该方案有进一步开发的必要,因为它可提供较大的偏转角。SEP制造的一种先进的轻型耐高温复合材料NOVEL-TEX,已被选用为ARC试验的喷管喉衬和出口维。本文叙述了发动机和推力向量控制系统的设计、试验装置和试验结果。     

美、法试验远地点发动机和喷管

一台先进的空间固体远地点发动机和喷管于1979年11月15日在爱德华空军基地点火试验成功。这是美国联合技术公司化学系统分公司与法国欧洲动力装置制造公司经过两年努力的成果,它综合了在碳-碳材料,固体推进剂药柱及喷管设计方面最新的先进技术。发动机直径为76厘米,在模拟30,480米以上高空的情况下点火试验约60秒。发动机     

航天飞机高性能固体火箭发动机

序言固体火箭发动机(SRM)是航天飞机固体助推器的一个部件。SRM的结构包括四个发动机段和一个单独的后出口锥组件。点火系统安装在前段内,可动喷管和后段相连。航天飞机每次飞行需用两台固体助推器,所以固体发动机应配对生产,然后由铁路运到发射阵地进行垂直装配。喷管有一柔性接头,用钢和橡胶薄板交替粘结而成,可提供达8°摆角的全轴向量控制。其控制靠每个助推器后裙处的两个液压动力装置驱动两个液压作动筒。 SRM是由Morton Thiokol(莫顿—锡奥科尔)公司在犹它州的Wasatch分部按照NASA马歇尔飞行中心的合同设计、研制和生产的。STS—7及其以前的各次飞行所用     

MX导弹喷管用先进材料评论 Ⅲ 第二级喷管的先进材料

这是评论MX导弹喷管先进材料的连载第三篇文章。根据空军系统司令部的空间导弹系统组织的F07401—73—C—04223合同,航空喷气固体推进公司进行了本文所述的工作。计划包括喷管设计的选择和要求满足MX ADP(Advanced DeveloPment Program)目的的有关技术。本文概述了材料筛选试验、阐述选择材料的原则、所选择材料的性能、缩比尺寸喷管点火试验的结果和用于全尺寸试验的石墨喷管部件的说明等。     

1978固体火箭的重要成就

这是AIAA固体火箭委员会主席,锡奥科尔公司享茨维尔(Huntsvillc)分公司的生产处长Richard H.Wall所作的AIAA固体火箭委员会报告。 AIAA固体火箭委员会认为,1978年固体火箭技术上最重要的成就主要是: 1.飞行重量的可延伸喷管进行了全尺寸验证试验。因采用可延伸喷管而节省的空间能显著地提高系统的性能。例如,它能明显地增加先进洲际弹道导弹的射程。 2.用三向编织碳/碳材料作成的整体喷喉进行了全尺寸试验。这种三维设计提高了可靠性、降低了烧蚀率。     

碳-碳喷管制造提高生产率及降低成本的工艺方案

火箭发动机喷管碳-碳生产过程中存在大量废料。这些废料是由于律料直径超出规格要求所产生的。严格控制棒料的直径将减少材料废料，而且还使预制件装配更简易、更统一，并且使得成本大约减少15％～20％．生产交工时间提前1个月，从而一件坯料的加工时间估计将节省11％。碳一碳喷管材料的生产工艺主要包括：预制件生产．此工艺涉及将碳纤维精确排列从而形成碳一碳复合材料的难强成分：致密化生产工艺，此工艺是用石墨基体来填充纤维之间的孔惊。互aa比碳一碳材料的生产工艺一直没有采用先进的加工工艺和自控技术来降低劳动成本。装配预制件的…