运载火箭外表面复合材料保护罩的防热承载性能试验

郭凤明，吴 洁，姜 沂，冯邵伟，杨浩亮

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

作者简介：郭凤明（1983—），男，工程师，博士，主要研究方向为运载火箭结构总体设计, beijing686@163.com.

摘要：为了研究复合材料在运载火箭凸起物保护罩中的防热承载性能，对603A/碳玻碳混杂复合材料制备的保护罩进行防热和承载能力试验及分析。通过试验获得材料在不同温度下的材料力学性能。对保护罩进行热-外压综合环境试验，并通过有限元计算预测试验件失效模式和失效载荷，试验结果可为复合材料不规则外形保护罩设计、试验和应用提供支撑。

关键词：复合材料；气动热；失稳破坏；有限元仿真；综合环境试验

中图分类号：V19        文献标识码：A        文章编号：2095-509X(2021)06-0075-06

运载火箭发射上升阶段，外表面将受到严酷的气动外压和气动加热作用。外表面凸起物保护罩保护着箭体外表面重要的单机产品，包括摄像头、天线、火工品类产品等。若保护罩失效则会造成恶劣后果，轻则造成测量仪器等无法工作，严重时（如火工品等参与控制的单机保护罩失效）甚至直接导致发射失败。因此火箭结构研究设计人员通常将保护罩的设计及安装作为控制的重点。传统保护罩采用铝合金钣金成型工艺。考虑到空气动力学方面的要求，保护罩应具有流线型外观，但凹坑通常下陷较深，导致保护罩产品结构质量偏大，此外钣金还存在成品率低、加工时间长、能源消耗大等缺陷。

复合材料以其低结构质量、低膨胀率、高温性能及热稳定性好等优势被不断应用到火箭的防热承载一体化结构设计当中^［1-2］，此外复合材料保护罩还具有易成型、工装模具返修简单、生产效率高等优点。由于高强纤维成型的先进复合材料保护罩较铝合金保护罩减重效果十分明显，因此美、俄等国普遍采用复合材料进行保护罩设计。20世纪70年代，以中远程导弹天线窗和天线罩为应用背景，美国的Philco-Ford公司和General Electric公司开发了3D石英纤维增强二氧化硅复合材料，牌号为AS-3DX和Markite 3DQ^［3］。俄罗斯从事天线罩材料的研究已有几十年的历史，在天线罩材料的研究方面有着自己的特色，着重进行织物增强有机硅树脂及磷酸盐材料体系的研究，并已广泛应用〖HJ〗于各类火箭^［4］。国内也对复合材料保护罩关键工艺和结构性能进行了深入的研究：王成华等^［5］以再入飞行器复合材料舱段极限应力强度分析为背景，对复合材料强度失效准则和算法进行了研究；蒋邦海等^［6］对一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料的各向异性准静态压缩性能开展了实验研究，并初步讨论了碳纤维初始微屈曲对复合材料压缩性能的影响；杨云昭等^［7］对国产碳纤维增强树脂基复合材料阻尼性能进行了实验研究；熊璇等^［8-11］研究了复合材料的有效热膨胀系数及茯影响；陈鹏飞等^［12］基于单层特征曲线法分析了复合材料机械连接接头强度。近年来，对防热复合材料的高温力学性能研究也引起了广泛关注^［13-15］。

为了解决新一代运载火箭复合材料凸起物保护罩的防热及承载性能问题，本文通过试验和有限元分析对单层碳纤维-多层玻璃纤维-单层碳纤维铺层的复合材料（603A/碳玻碳混杂复合材料）的防热承载能力进行分析和总结。