凭借先前开发小型运载火箭“电子”(Electron)的成功经验,美国领先的发射和空间系统公司“火箭实验室”(Rocket Lab USA)开发了一款名为“中子”(Neutron)的大型运载火箭,其载荷能力达8吨,可用于载人航天、大型卫星星座发射和深空探测等任务。该火箭在设计、材料和可重复利用方面取得了突破性成果。
“中子”号火箭将是世界上第一款采用碳纤维复合材料的大型运载火箭。火箭将采用一种全新、特殊的碳纤维复合材料,重量轻、强度高、可以承受发射和再入的巨大热量和冲击,使第一级能够频繁地重复使用。为了实现快速制造,“中子”号火箭的碳纤维复合材料结构将使用自动纤维铺放(AFP)工艺制造,该工艺可以在几分钟内制造数米长的碳纤维复合材料火箭壳。Aerojet Rocketdyne电机碳纤维绕线机于2020年初开始在阿拉巴马州的汉斯维尔生产大型固体火箭发动机壳体。结构壳体采用碳纤维缠绕方式成型,最大生产直径为72英寸、长度为22英尺的机壳,其大小足以支持战略导弹计划,旨在制造用于各种导弹,导弹防御系统和高超音速系统的机壳,它同时支持的生产包括终端高空区域防御和标准导弹拦截器。大型固体火箭发动机几乎都是由复合材料制成,这主要包括了碳纤维增强环氧树脂复合材料。从20世纪60年代初的民兵第三级和北极星火箭发动机外壳开始,随后的几乎所有弹道导弹发动机外壳都由复合材料(纤维和环氧树脂)制成。通常发动机外壳使用的材料具有高比强度(强度/重量)和高比刚度(模量/重量)。而用于火箭发动机外壳的纤维复合材料根据增强体不同,也经历了三代产品的发展:第二代增强纤维为Kevlar 49为代表的芳纶纤维,随后发展为强度较低的标准模量碳纤维(如Hexcel公司的AS4、东丽T300);第三代增强纤维以美国Hexcel公司IM7和日本东丽T1000为代表的高强中模碳纤维。与上述纤维配合使用的是玻璃化转变温度低于300°F的环氧树脂中。在固体火箭发动机外壳复合材料中,碳纤维通常与环氧树脂(重量百分比为25%至35%)结合使用组成复合材料。但是,通常使用的树脂必须存储在冷藏箱中。在大多数情况下,用于固体火箭发动机壳体的树脂的玻璃化转变温度Tg高于250°F。在某些情况下,树脂甚至可能具有比其固化温度更高的Tg。纤维和树脂混合并以复合形式使用后,材料系统的信息对复合材料案例设计/分析人员具有重要价值。纤维供应商通常会发布纤维特性,并且数据随时可用。树脂通常也是如此。但是,当将两者结合并在大型固体火箭发动机壳体上加工成复合材料时,信息就变得更为关键。必须将已发布的数据减小到允许的值(纤维强度转换),并将其用作压力容器的破坏强度。近年我国已经在多种型号的运载火箭,特别是上面级结构中广泛采用复材,有效地减轻了上面级结构质量,对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。例如,在“开拓者-1”小型运载火箭的第四级发动机“采用了高性能碳纤维壳体;长征火箭(CZ-2C、CZ-2E、CZ-3A)的卫星接口支架和有效载荷支架(前后端框、环框、壳段、弹簧支架、井字形梁)采用了碳纤维增强环氧树脂基复材。