运载火箭用纤维复合材料整流罩研究进展

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。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。

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。

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如表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；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；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。

整流罩夹层结构对面板材料起着支撑作用，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。

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。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。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℃。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。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 。