碳纖維在導彈發(fā)射器上的應用研究*

李金龍，虞健美，劉冬梅

（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

發(fā)射器是戰(zhàn)術導彈的重要組成部分。在導彈的制造、貯存、運輸、便攜、使用等情況下，發(fā)射器一般具有四個方面的功能。首先是安裝鎖定導彈；第二是賦予導彈初始射向；第三是防護包裝導彈；第四是便攜背負導彈。國外輕型導彈武器系統(tǒng)的發(fā)射器身管，一般都采用玻璃纖維（GF）增強樹脂基復合材料結構。我國的紅箭－8等導彈武器系統(tǒng)，發(fā)射器身管采用了玻璃纖維增強樹脂基復合材料。

碳纖維（CF）是一種高性能的纖維材料[1]，具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高導熱、低熱膨脹、耐化學輻射等特性。碳纖維增強復合材料具有質量輕、比強度高、比剛度高、抗沖擊和抗彈性強等優(yōu)異性能，廣泛用于交通運輸、航空航天、兵器工業(yè)和工程防護等國民經濟和國防建設的諸多領域[2]。我國的PAN基碳纖維的用量很大[3]，用PAN基碳纖維研制小型導彈發(fā)射器身管，不但可以大大降低發(fā)射器乃至武器系統(tǒng)的重量，而且利用碳纖維的導電性能減小電磁波對導彈的干擾。

通常情況下，采用單一種類纖維增強的復合材料發(fā)射器身管，雖各有其所長，但在性能和實際應用中，也都各有其短。玻璃纖維增強材料（GFRP）強度高，韌性好，但剛度不足。碳纖維增強材料（CFRP）強度高，剛性好，但韌性不足。根據以上情況，考慮利用兩種或兩種以上的纖維，采用混雜的增強方式，增強同一種樹脂基體組成復合材料，能夠取所長，補其所短?？梢栽谳^廣泛的范圍滿足產品對復合材料性能的使用要求。為了彌補這一不足，采用低密度高模量的碳纖維（CF）與玻璃纖維（GF）混雜纏繞成混雜纖維復合材料（HY），以此成型發(fā)射器身管，來提高發(fā)射器的強度、剛度和抗沖擊性要求。

1 發(fā)射器的性能要求和方案

某型導彈武器系統(tǒng)主要用于單兵便攜作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)結構緊湊，外形尺寸小，攜帶重量輕。

對發(fā)射器的主要性能要求是：

a）導彈采用的是筒式發(fā)射方式，發(fā)射器必須是薄壁圓筒形截面結構。

b）發(fā)射器的重量為系統(tǒng)重量的1／6。

c）要求身管對導彈具有足夠的鎖定強度，密封性好，透濕率、軸向變形要小。

d）發(fā)射器，導彈，安全鎖，一、二號電氣接插件，壓力調接閥，閉氣膜，呼吸膜，前、后密封緩沖組件等組合構成武器系統(tǒng)。發(fā)射器為零部件提供了安裝基準。

基于上述要求，碳纖維／玻璃纖維混雜增強樹脂基復合材料（HY）是發(fā)射器身管材料的首選方案。這樣的身管方案具有結構緊湊、重量輕、強度高、剛性好、便于生產的特點。

2 成型工藝

2.1 結構與尺寸

a）采用碳纖維／玻璃纖維增強樹脂基復合材料研制的導彈發(fā)射器，身管是發(fā)射器的關鍵結構。根據前期研究的試驗驗證，發(fā)射器從內表面到外表面的結構層次設計如圖1所示。

圖1 發(fā)射器結構層次

b）身管壁厚不大于2mm。

2.2 原材料

發(fā)射器身管采用濕法連續(xù)纖維纏繞成型技術，增強材料是240TEX的玻璃纖維無捻紗和12K的碳纖維無捻紗，樹脂系統(tǒng)為雙酚A環(huán)氧樹脂和液體酸酐體系。前后滑塊、前后筒口圈材料為2A12－T4鋁棒和鋁管，發(fā)射器的主要材料見表1。

表1 主要材料

2.3 身管成型條件

按照發(fā)射器的強度和結構要求及纖維纏繞的特點，身管的結構采用螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結合的方式，以便發(fā)射器身管的徑向、軸向強度和剛度滿足綜合性能要求。身管成型條件見表2。

表2 發(fā)射器身管設計參數

2.4 身管強度計算

根據確定的螺旋纏繞角、纏繞方式、纏繞順序以及螺旋和環(huán)向纏繞層數進行發(fā)射器身管的強度計算。承受內壓作用的纖維纏繞結構，采用網格理論進行結構強度設計。計算公式如下，這里不進行詳細計算。

螺旋纏繞的軸向承壓力：

螺旋纏繞的徑向承壓分量：

環(huán)向纏繞的徑向承壓力：

3 試驗

發(fā)射器的試驗研究文中從實際應用和材料特點出發(fā)，重點介紹以下幾個方面。有關的電性能、結構接口和環(huán)境適應性不再贅述。

3.1 透濕率

發(fā)射器身管進行了棚下暴露試驗。試驗目的是檢測發(fā)射器身管在暴露棚試驗貯存條件下規(guī)定時間的透濕率。

試驗站的地理位置和氣候類型見表3。

表3 試驗站的地理位置和氣候類型

將身管樣品直接暴露于有頂棚遮蓋的大氣環(huán)境條件下，不直接接受太陽輻射和雨淋。用水泥臺架支撐樣品，離地面最低高度不小于0.2m，確保底部空氣流通。存放現場見圖2，試驗數據見表4。

3.2 軸線彎曲

發(fā)射器的軸線彎曲試驗目的是檢測發(fā)射器身管在距發(fā)射器前端10mm處，施加垂直于發(fā)射器軸線的作用力180N，發(fā)射器發(fā)生彎曲變形的程度。

圖2 棚下暴露存放現場

表4 透濕率試驗數據

彎曲變形量的試驗方法采用加載變形的方法。試驗設備包括剛性臺面、磁力表架、百分表、砝碼和導軌。將發(fā)射器與定發(fā)射裝置接，固定在剛性臺面上，使發(fā)射器成水平狀態(tài)，把百分表裝在表架上后固定在剛性臺面上，百分表的測頭接觸發(fā)射筒體口部，首先施加20N左右的預緊力（消除滑塊的間隙），把百分表表針調整為零，將180N的砝碼掛在發(fā)射器的口部10mm范圍內，10s后讀取百分表數據。試驗數據見表5。

表5 彎曲變形量試驗數據

3.3 鎖彈強度

發(fā)射器的鎖彈強度試驗目的是檢測發(fā)射器對導彈可靠鎖定能力。

鎖彈強度試驗方法如圖3所示，試驗數據見表6。

表6 鎖彈強度試驗數據

圖3 鎖彈強度試驗現場

3.4 密封性

發(fā)射器密封性試驗目的是檢測發(fā)射器的密封性能。檢測正壓（干燥空氣）17±2kPa，負壓－10±2kPa，穩(wěn)定后保持5min壓差的變化情況。

密封性試驗采用密封檢測系統(tǒng)對發(fā)射器進行正、負壓密封檢測。密封性試驗現場見圖4，試驗數據見表7、表8。

表7 正壓狀態(tài)下試驗數據

表8 負壓狀態(tài)下試驗數據

圖4 密封性試驗現場

3.5 實際應用試驗

在碳纖維增強樹脂基復合材料發(fā)射器研究期間，為某武器系統(tǒng)的控制系統(tǒng)參數優(yōu)化設計摸底試驗、飛行器結構改進有控試驗和無控噪聲測試試驗、新型結構傾斜穩(wěn)定回路試驗、系統(tǒng)總體性能驗證試驗、有控試驗和無控飛行試驗、高原試驗提供了發(fā)射器150余次。

4 結論

a）經過綜合試驗表明，采用碳纖維／玻璃纖維增強復合材料研究導彈發(fā)射器身管，發(fā)射器重量輕，強度高，剛性好。碳纖維是彈箭復合材料發(fā)射器輕量化研究的首選材料之一。

b）碳纖維導彈發(fā)射器身管的透濕率、軸線變形、鎖彈強度、密封性能可以滿足導彈發(fā)射器的設計要求，同時還具有電磁屏蔽的作用。

c）研究中主要采用的是T700－12000－50PAN基碳纖維。為了未來生產材料的國產化，發(fā)射器研究中同時進行了國產碳纖維的應用研究工作。在不改變樹脂體系的情況下，發(fā)射器身管的增強材料選用了國產的ST300A－12KPAN基碳纖維。使用國產碳纖維的導彈發(fā)射器通過鑒定試驗以及武器系統(tǒng)的無控試驗和有控試驗表明，國產碳纖維可以在發(fā)射器上應用。

[1]聞荻江.復合材料原理[M].武漢：武漢理工大學出版社，1998.

[2]MALLICK P K.Fiber reinforced composites materials，manufacturing，and design[M].New York：CRC Press，2007.

[3]陳紹杰.碳纖維再聚焦[J].高科技纖維與應用，2009（1）.