碳纤维复合材料在运载火箭及导弹领域的应用Carbon Fiber High-speed Strain Tensile Tester
作者 Ming
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发布时间 20/07/13
碳纤维复合材料显著的性能优势和潜在的轻量化能力，使其在运载火箭和导弹领域获得广泛应用，航天飞行器重量每减少1公斤，可使运载火箭减轻 500公斤，因此，碳纤维复合材料成为目前航天飞行器结构应用范围最广、技术成熟度最高的材料。碳纤维复合材料是运载火箭和导弹结构轻量化、功能化的关键原材料。目前航天器结构用碳纤维主要为PAN基碳纤维，导弹发动机大多采用T高强中模系列碳纤维，导弹支架、支座或托架等结构采用MJ高强高模系列碳纤维。
在运载火箭领域，碳纤维复合材料用于制造固体发动机壳体结构、箭体整流罩、仪器舱、级间段、发动机喷管喉衬、卫星支架、低温贮箱等部件。碳纤维复合材料在运载火箭应用的典型代表为发动机壳体。当发动机运转工作时，壳体除了承受来自内外部的压力外，会要面临轴压、弯曲、扭转及横剪等外部载荷，因此发动机壳体所用的碳纤维大多为强度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高强中模碳纤维，如日本东丽T800、T1000和美国赫氏IM7等。hrjtest；中国长征火箭（CZ-2C、CZ-2E、Z-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）也采用了碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
在导弹领域，碳纤维复合材料通常可应用在弹体、弹体整流罩、弹翼、尾翼、支架、仪器舱、达罩、进气道、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件等。导弹固体火箭发动机第三级结构质量每减少1kg，可增加有效射程16km。美国新一代空面巡航导弹 ACMI58-JASSM为了大幅度地降低成本、减轻弹体重量，不仅弹翼、尾翼、进气道采用复合材料，整个弹身全部舱段都采用了碳纤维复合材料，全弹减重30%，成本降低50%。中国战略导弹发射筒也采用了部分碳纤维复合材料筒段，相比铝合金部件，重量降低28%。
导弹在空气中飞行时，速度接近甚至会超过声速，由于高速下气动加热，因此导弹蒙皮温度会快速升高。
根据驻点温度计算公式，初步设定导弹环境温度为220K，当导弹飞行速度达4～10赫时，表面温度范围达445～3173℃，而且随着马赫数的提高，表面温度急剧上升，普通金属合金难以满足要求。因此碳纤维增强陶瓷基复合材料成为了最好的选择，美国X-47B高超声速飞行器使用了碳纤维陶瓷基复合材料用来防热，最高耐热温度可达1700℃。
洲际导弹在最后攻击阶段需高速再入大气层，其温度在极短的时间内零下160℃急骤绝热压缩，气动加热到1700℃左右，碳碳纤维复合材料（C/CFRP）不仅具有优异的热力学性能，而且在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称，保持了良好的气动外形，因此C/CFRP是制造洲际弹道导弹的鼻锥和发动机喷管等最好选材。现役主流洲际导弹弹头鼻锥多采用 C/CFRP 材料，利用其氧化、分解和升华过程带走大量热；同时生成的多孔碳层起到隔热体的作用，阻止热量向内部传递，起到热防护作用。C/CFRP材料弹头表面流向内部的热量仅为总热量的1-10%左右，从而保障弹头功能完好。发动机喷管要承受高达 3500 ℃高温，由于没有冷却系统，喷管必须能够承担高温气体冲击，特别是喉衬部分。60年代美国开始研制并使用 C/CFRP喉衬。先进国家航天飞行器结构系统正朝着全复合材料化方向发展，旨在进一步突出结构减重的应用目标。中科院碳纤维及其复合材料实验室；大国利器-碳纤维。
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