用碳纤维丝线造火箭！"快舟十一号"工艺再升级

碳纤维像“缠毛线球”一般最终变身为火箭发动机壳体。

用丝线造火箭发动机？真的可以！近日，从湖北三江航天江北机械工程有限公司（以下简称“江北公司”）传来好消息，快舟十一号上使用的碳纤维工艺技术又提升了。

一根碳纤维的粗细只有头发丝的十分之一，而小手指粗的一束黑色碳纤维，可以拉动两架大飞机。在江北公司的研发部门，长江日报记者看到了这种新型材料，看起来“细如丝”的线，竟然是制造火箭的材料之一。

“对，我们正是用这细如丝的纤维制造出了快舟11号新型运载火箭的发动机壳体。”见记者觉得不可思议，江北公司研发中心副主任尹建华解释，碳纤维密度低、强度高、模量高、耐腐蚀、耐高温。这一材料的国产化与应用，是航天领域技术创新的重要成果之一。应用这一新材料，可以使火箭发动机壳体减重4成，同时保证了发动机在火箭飞行过程中能长时间承受内部高温、高压等极端挑战。

尹建华介绍，以往，火箭发动机壳体多用金属合金材料制造，工艺成熟但重量较大。早在2022年底，“快舟11号”全箭主体结构就首次采用碳纤维复合材料，并且实现了国产替代。

细如丝，且柔软，碳纤维是如何“变身”的呢？研发人员通过视频向记者展示这个过程：在制造车间，从机器一端伸出来的碳纤维，像“缠毛线球”一般，一圈一圈被缠绕在圆筒状的火箭发动机壳体上。

没想到，“缠毛线球”也有严格的技术要求。尹建华介绍，碳纤维材料的缠绕工艺极为讲究，先斜着绕形成经纬纵横的编织效果，再平铺着绕，最大程度保证缠绕的紧致。“每一条走线都不能重复，否则会造成某个局部变厚，影响外壳的尺寸和平整度，导致发动机壳体重量分布不均，对火箭飞行稳定性造成影响。而且每一层都要涂上胶液，让纤维丝层层紧密粘合在一起。”

如此循环三、四十层，耗时十余天，一个数米直径的壳体才能完工。而后，再进行固化、脱模等工序，最终变身为火箭发动机壳体，小到保障内部装载的燃料安全，大到保障火箭飞行成功以及运载的卫星的安全。

不仅轻量化，碳纤维材料在承受极端载荷时，也表现出了惊人的强度。实验室里，研发人员拿碳纤维和高强度钢制成的两种样品“PK”，结果显示，高强度钢的受力为1705兆帕，就是得用5.2吨的力才能把这个样品拉断，而碳纤维的承压强度达到2630兆帕。

尹建华说，将新材料应用到火箭发动机制造领域，业内前沿技术可借鉴的经验不多，必须靠自主摸索研发。这里面，缠绕的工艺流程、起粘合作用的耐高温材料等研发应用都是新课题，需要一项项突破。

“我们正朝着热塑性碳纤维复合材料缠绕技术的成熟应用全力进发，”他介绍，目前，研发团队正致力于热塑性碳纤维复合材料缠绕技术研究，通过提高树脂浸润的精确度和可控性，减少人工干预，提升非金属材料产品的质量一致性及可靠性。

这项技术革新一旦完全成熟，在缠绕过程中可实现原位固化，生产效率将大幅提高。也就是，使现在的火箭发动机固化时间从传统方法的半个月至一个月缩短至几天。同时，还能在生产过程中显著减少能源消耗和废弃物产生，为航天制造业的绿色转型提供了可行路径。

“通过对非金属材料制造、工艺技术等的不断突破，未来，轻盈的发动机会更进一步地为固体运载火箭运力提升赋能。”尹建华信心满满。