安慶升，孫立東，武秋生

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引言

箱（筒）式發(fā)射技術(shù)是當(dāng)今世界上流行的、先進(jìn)的發(fā)射裝置設(shè)計(jì)技術(shù)。因其能夠有效地提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的貯存可靠性，并具有全天候適應(yīng)能力及戰(zhàn)場(chǎng)快速反應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，被當(dāng)今各種陸基和艦載先進(jìn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)采用［1-3］。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)發(fā)射箱（筒）的體積、質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性等方面也提出更為嚴(yán)格的要求。由于復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外專家就復(fù)合材料在大截面、長(zhǎng)尺寸的戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒應(yīng)用方面開展了大量的研究工作，并獲得了成功。其中：美國MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈的發(fā)射筒長(zhǎng)22.4 m、直徑2.5 m，采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量超過100 t，而選用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)H為21 t；俄羅斯SS-20和SS-25戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒，均采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒也采用樹脂基復(fù)合材料，比鋁合金發(fā)射筒輕28%。發(fā)射筒采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以很好地解決金屬結(jié)構(gòu)筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發(fā)展趨勢(shì)之一［4］。

復(fù)合材料發(fā)射筒經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)從戰(zhàn)略導(dǎo)彈型號(hào)逐漸發(fā)展到戰(zhàn)術(shù)型號(hào)。對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)性要求的不斷提高，對(duì)地面發(fā)射裝備質(zhì)量的限制也愈加嚴(yán)酷，這為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈復(fù)合材料發(fā)射筒的應(yīng)用提供了更多機(jī)會(huì)［5］。美國陸軍多管火箭系統(tǒng)（multiple launch rocket system，MLRS）戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射筒、“愛國者”PAC-3 導(dǎo)彈發(fā)射筒均采用了復(fù)合材料；另外，國內(nèi)外便攜式輕型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射筒，目前普遍采用玻纖增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，如果采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)減重30%。

復(fù)合材料發(fā)射筒原材料及成型技術(shù)日趨成熟，大多采用機(jī)械設(shè)備纏繞和自動(dòng)鋪放技術(shù)。自動(dòng)化成型可大大提高復(fù)合材料制品的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，從而實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性得到有效保證，復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)、便于成型等優(yōu)異性能也得到了充分發(fā)揮［6］。

近十年來，隨著T700、T800等高強(qiáng)碳纖維實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，碳纖維原材料成本有了較大幅度下降，碳纖維復(fù)合材料制品在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料發(fā)射筒產(chǎn)品及成型技術(shù)在國內(nèi)航天型號(hào)上也得到了更多的應(yīng)用和推廣。本文基于有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證手段，開展了碳纖維復(fù)合材料發(fā)射筒的設(shè)計(jì)研究，為類似發(fā)射筒的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 發(fā)射筒設(shè)計(jì)要求

發(fā)射筒設(shè)計(jì)要求為：

1）工作溫度-40 ℃～+50 ℃、貯存溫度-50 ℃～+70 ℃。

2）筒體工作內(nèi)壓不大于1.5 MPa。

3）筒內(nèi)充0.12 MPa（絕對(duì)壓力）氣壓時(shí)保持24 h后壓降不大于10%。

4）筒體質(zhì)量不大于600 kg。

5）內(nèi)表面能夠耐高溫、高速燃?xì)饬鳑_刷，應(yīng)保證至少能使用3次。

6）能夠承受以下發(fā)射、吊裝和運(yùn)輸工況載荷：

（1）發(fā)射工況：筒口沖擊力18 t，時(shí)間15 ms；

（2）吊裝工況：最大過載2.4g；

（3）運(yùn)輸工況：軸向過載±3.5g；橫向過載±2g；法向過載±3g。

7）工藝性、維修性好，能夠確保在貯存、運(yùn)輸、使用和維護(hù)時(shí)的安全性。

2 發(fā)射筒設(shè)計(jì)

2.1 筒體結(jié)構(gòu)與組成

發(fā)射筒筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)導(dǎo)彈外形結(jié)構(gòu)、彈翼分布、導(dǎo)彈在筒內(nèi)的支撐與導(dǎo)向方式以及其他使用要求進(jìn)行。筒體截面形狀為圓形；發(fā)射筒內(nèi)壁需能耐受高溫燃?xì)饬鳑_刷和多次使用要求，筒內(nèi)壁選用了金屬內(nèi)襯，外層承載結(jié)構(gòu)采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；考慮到筒前端受到較大的沖擊載荷，發(fā)射筒前、后法蘭選用高強(qiáng)鋁合金；筒體設(shè)計(jì)有前、后吊裝箍，保證發(fā)射筒的起吊和放置，吊裝箍為高強(qiáng)鋁合金材料。發(fā)射筒筒體由金屬內(nèi)襯、復(fù)材結(jié)構(gòu)層、前法蘭、后法蘭、環(huán)筋、前吊裝箍、后吊裝箍等組成，見圖1。

圖1 發(fā)射筒外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the launch tube

2.2 筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)射筒筒體材料仍以金屬材料為主。金屬材料發(fā)射筒雖然具有強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著質(zhì)量大、耐腐蝕性差、焊接易變形、設(shè)計(jì)自由度差等缺點(diǎn)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)射筒的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在不改變筒體外形尺寸的前提下，可通過改變纖維材料、纖維層厚度比和纏繞角度等方法，設(shè)計(jì)出不同的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的發(fā)射筒，能有效改善發(fā)射筒的剛度、強(qiáng)度和抗沖擊等力學(xué)性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)射筒設(shè)計(jì)過程見圖2。

圖2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)射筒設(shè)計(jì)過程Fig.2 Design process of fiber reinforced composite launch tube

2.2.1材料設(shè)計(jì)

對(duì)于復(fù)合材料薄壁筒體，在滿足力學(xué)性能的同時(shí)，還應(yīng)滿足耐燒蝕、電磁屏蔽、耐環(huán)境等功能要求，因此必須充分注重其結(jié)構(gòu)、功能一體化鋪層設(shè)計(jì)。復(fù)合材料發(fā)射筒鋪層結(jié)構(gòu)由耐燒蝕層、復(fù)材結(jié)構(gòu)層和屏蔽層組成，見圖3。其中：耐燒蝕層位于筒體內(nèi)壁，采用可成型耐高溫?zé)g層（如高硅氧/酚醛復(fù)材5-Ⅲ橡膠非金屬材料）或鋁、鋼等金屬內(nèi)襯；復(fù)材結(jié)構(gòu)層采用高強(qiáng)玻纖、芳綸纖維、碳纖維/環(huán)氧樹脂或乙烯基樹脂；屏蔽層可以采用銅網(wǎng)或碳纖維等導(dǎo)電材料（碳纖維/環(huán)氧材料導(dǎo)電性與半導(dǎo)體導(dǎo)電性相當(dāng)，根據(jù)屏蔽要求選用）。本文碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)射筒筒體的材料設(shè)計(jì)，采用以碳纖維為增強(qiáng)體、環(huán)氧樹脂為基體制作筒體的復(fù)材結(jié)構(gòu)層，以鋼內(nèi)襯作為耐燒蝕層和屏蔽層，法蘭、吊裝箍等輔件采用高強(qiáng)鋁合金材料。

圖3 復(fù)合材料發(fā)射筒鋪層結(jié)構(gòu)Fig.3 Laying structure of composite material launch tube

2.2.1.1 原材料選擇

1）增強(qiáng)體材料。復(fù)合材料發(fā)射筒所用的主要增強(qiáng)材料通常為玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。其中，碳纖維是一種高性能的纖維材料，具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹等特性。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量小、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊等優(yōu)異性能，已在航空、航天領(lǐng)域得到大量應(yīng)用［7-8］。T700 碳纖維主要性能見表1。

表1 T700碳纖維主要性能Tab.1 Main properties of the carbon fiber T700

2）基體材料。環(huán)氧樹脂強(qiáng)度高、工藝性好、耐高低溫性能優(yōu)異，是發(fā)射筒類產(chǎn)品首選基體材料。環(huán)氧樹脂基體性能見表2。

3）成型工藝［9］。復(fù)合材料發(fā)射筒以鋼內(nèi)襯為芯模，外纏碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)層，在150 ℃下，經(jīng)歷10 h，高溫固化成型。復(fù)合材料發(fā)射筒采用自動(dòng)化設(shè)備連續(xù)纖維成型，工藝簡(jiǎn)便且材料制造和制品成型同時(shí)完成，體現(xiàn)了復(fù)合材料制品的材料、設(shè)計(jì)和制造三者間的密切關(guān)系。

2.2.1.2 單向及層合復(fù)合材料性能

1）單向復(fù)合材料性能。根據(jù)上述材料及工藝制作T700 碳纖維/環(huán)氧樹脂單向復(fù)合材料，其材料性能見表3～4。

表3 T700碳纖維/環(huán)氧樹脂NOL環(huán)性能Tab.3 NOL ring properties of the carbon fiber T700/epoxy resin

表4 T700碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料單向板性能Tab.4 Unidirectional plate properties of the carbon fiber T700/epoxy resin composite material

2）鋪層復(fù)合材料性能［10-11］。對(duì)發(fā)射筒筒體進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化確定鋪層為±25°/90°/±25°/±25°/±45°/90°，共計(jì)15 層，總厚度為5.5 mm。由表4 單向板性能測(cè)試結(jié)果（EL=130 GPa，ET=10 GPa，GLT=4 GPa，υLT=0.28），按照層合板理論，經(jīng)計(jì)算得到發(fā)射筒筒體的彈性性能為：Ex=58.09 GPa；Eθ=29.36 GPa；Gxθ=21.75 GPa。其中：EL為單向板纖維方向（L）的彈性模量；ET為單向板垂直于纖維方向（T）的彈性模量；GLT為單向板面內(nèi)縱橫剪切模量；υLT為單向板在LT方向的泊松比；Ex為發(fā)射筒軸向彈性模量；Eθ為發(fā)射筒環(huán)向彈性模量；Gxθ為發(fā)射筒xθ向剪切模量。

2.2.2結(jié)構(gòu)建模計(jì)算

2.2.2.1 計(jì)算輸入

1）結(jié)構(gòu)及形狀。筒體為圓筒狀的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯厚度1.5 mm；外層為厚度5.5 mm 的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)材結(jié)構(gòu)層；復(fù)材結(jié)構(gòu)層外纏繞9 根復(fù)材環(huán)筋，前、后法蘭為鋁制，吊裝箍位于其中2 只復(fù)材環(huán)筋上。見圖4。

圖4 復(fù)合材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)布置圖Fig.4 Layout of composite material launch tube

2）筒體鋪層。根據(jù)前述鋪層優(yōu)化，選擇筒體復(fù)材鋪層共15層，鋪層方式同前。

3）材料性能。T700/環(huán)氧復(fù)材性能見表4，金屬材料性能見表5。

表5 金屬材料性能Tab.5 Properties of metallic materials

2.2.2.2 有限元模型

1）載荷情況。筒體所受的載荷分別為前法蘭受到的沖擊、筒內(nèi)部壓力、吊裝以及運(yùn)輸工況下的軸向、橫向以及法向過載；彈體對(duì)發(fā)射筒施加的載荷（包括重力）是通過3 支撐點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)的，分別為F1、F2、F3，示意圖見圖5。

圖5 筒體載荷示意圖Fig.5 Schematic diagram of the launch tube load

2）邊界條件。按照?qǐng)D6中的坐標(biāo)1、2、3方向施加邊界條件。沖擊工況時(shí)，約束后法蘭面的2、3 方向自由度；其余所有計(jì)算工況涉及的約束均為約束筒體前、后起吊箍的所有自由度。

圖6 邊界條件坐標(biāo)系Fig.6 Coordinate system of boundary condition

3）有限元模型。發(fā)射筒的有限元模型包含以下部分：內(nèi)襯、復(fù)材筒體、金屬法蘭、復(fù)材環(huán)筋。采用ABAQUS 軟件［12］，內(nèi)襯、復(fù)材筒體、復(fù)材環(huán)筋采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元建模，法蘭用8 節(jié)點(diǎn)六面體單元建模。筒體模型共包含5 400 個(gè)節(jié)點(diǎn)和5 360 個(gè)單元，見圖7。

圖7 發(fā)射筒有限元模型Fig.7 Finite element model of launch tube

2.2.3計(jì)算結(jié)果

本文重點(diǎn)關(guān)注各種工況下筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層的安全裕度。失效評(píng)定準(zhǔn)則為：采用Tsai-Wu 失效判據(jù)計(jì)算出復(fù)材結(jié)構(gòu)層各層失效因子，各單元安全裕度＝1/（失效因子-1）；安全裕度不小于0.25。不同工況下的ABAQUS軟件計(jì)算結(jié)果如下。

2.2.3.1 沖擊載荷工況

筒口施加沖擊載荷后，ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 沖擊載荷工況下的筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子云圖Fig.8 Average failure factor of the composite layer under impact condition

沖擊載荷工況下，筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子最大值0.099，安全裕度9.1。

2.2.3.2 內(nèi)壓載荷工況

筒體內(nèi)壓1.5 MPa，ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 內(nèi)壓載荷工況下的筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子云圖Fig.9 Average failure factor of the composite layer under internal pressure condition

內(nèi)壓載荷工況下，筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子最大值0.318，安全裕度2.1。

2.2.3.3 水平運(yùn)輸工況（針對(duì)軸向3.5g、橫向2g、法向3g進(jìn)行計(jì)算，其他略）

1）載荷情況：軸向過載3.5g。ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 水平運(yùn)輸軸向過載3.5g工況下的筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子云圖Fig.10 Average failure factor of the composite layer under 3.5g transport axial overload condition

軸向過載3.5g工況下，筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子最大值0.234，安全裕度3.3。

2）載荷情況：橫向過載2g。ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 水平運(yùn)輸橫向過載2g工況下的筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子云圖Fig.11 Average failure factor of the composite layer under 2g transport lateral overload condition

橫向過載2g工況下，筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子最大值0.421，安全裕度1.4。

3）載荷情況：法向過載3g。ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 水平運(yùn)輸法向過載3g工況下的筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子云圖Fig.12 Average failure factor of the composite layer under 3g transport normal overload condition

法向過載3g工況下，筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子最大值0.559，安全裕度0.8。

2.3.3.4 吊裝工況

吊裝過載2.4g工況下，ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 吊裝工況下的筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子云圖Fig.13 Average failure factor of the composite layer under hoisting condition

吊裝工況下，筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層平均失效因子最大值0.512，安全裕度為1。

2.2.4計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，發(fā)射筒筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層在沖擊載荷、內(nèi)壓、運(yùn)輸載荷和吊裝載荷4 種工況下的最大平均失效因子及安全裕度如表6所示。

表6 各種工況下筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層最大平均失效因子及安全裕度Tab.6 Maximum average failure factor of the composite layer under various working conditions

由表6 可知，各種工況下發(fā)射筒筒體復(fù)材結(jié)構(gòu)層的安全裕度均大于0.25，表明碳復(fù)合材料發(fā)射筒在各個(gè)工況下均能正常使用，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 產(chǎn)品及試驗(yàn)情況

3.1 產(chǎn)品情況

發(fā)射筒復(fù)合材料筒體設(shè)計(jì)質(zhì)量466 kg，各部件質(zhì)量分布如表7所示。

表7 復(fù)合材料筒體各部件質(zhì)量Tab.7 Mass of components of composite launch tube

實(shí)物產(chǎn)品質(zhì)量510 kg，與理論設(shè)計(jì)質(zhì)量存在44 kg的偏差。經(jīng)分析，該偏差是由金屬內(nèi)襯厚度精度、環(huán)筋與復(fù)材結(jié)構(gòu)層過渡尺寸以及法蘭與復(fù)材結(jié)構(gòu)層過渡尺寸引起的。因此，評(píng)估最終產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)應(yīng)充分考慮工藝制造環(huán)節(jié)帶來的必要偏差。

3.2 氣密及水壓試驗(yàn)

利用發(fā)射筒上的2 個(gè)水平起吊箍進(jìn)行固定，對(duì)發(fā)射筒進(jìn)行氣密試驗(yàn)和水壓試驗(yàn)，氣密試驗(yàn)滿足24 h 壓降不低于10%的要求；對(duì)發(fā)射筒進(jìn)行壓力1.5 MPa、保壓5 min 的水壓試驗(yàn)，發(fā)射筒各部件未見異常和損傷，滿足設(shè)計(jì)要求。氣密及水壓試驗(yàn)情況見圖14。

圖14 氣密及水壓試驗(yàn)Fig.14 Air test and water pressure test

3.3 吊裝、運(yùn)輸試驗(yàn)

對(duì)發(fā)射筒進(jìn)行了滿載情況下的吊裝、運(yùn)輸試驗(yàn)，試驗(yàn)后檢查發(fā)射筒未見損傷，見圖15～16。

圖15 吊裝試驗(yàn)Fig.15 Hoisting test

圖16 運(yùn)輸試驗(yàn)Fig.16 Transportation test

3.4 發(fā)射試驗(yàn)

對(duì)發(fā)射筒進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)后發(fā)射筒鋼內(nèi)襯經(jīng)過除灰處理后，表面呈微黃，未見明顯燒蝕痕跡，可以滿足燃?xì)舛啻螞_刷的使用要求；發(fā)射筒內(nèi)腔及外形結(jié)構(gòu)未見變形，金屬法蘭和復(fù)材結(jié)構(gòu)層未見分層破壞。

4 結(jié)束語

本文以碳纖維復(fù)合材料發(fā)射筒為研究對(duì)象，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及鋼內(nèi)襯制造筒體的主要結(jié)構(gòu)件，配合結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能性鋪層設(shè)計(jì)，賦予了發(fā)射筒筒體良好的輕質(zhì)、高強(qiáng)特性。對(duì)研制的發(fā)射筒進(jìn)行了氣密、水壓、吊裝、運(yùn)輸和發(fā)射等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。