近空間飛艇蒙皮復(fù)合材料研究進(jìn)展

費(fèi) 川，王梓橋，周秀燕，王 非

(1. 海軍駐哈爾濱地區(qū)艦船配套代表室，哈爾濱 150036)(2. 哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

近空間飛艇蒙皮復(fù)合材料研究進(jìn)展

費(fèi) 川1，王梓橋2，周秀燕2，王 非2

(1. 海軍駐哈爾濱地區(qū)艦船配套代表室，哈爾濱 150036)(2. 哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

近空間飛艇對(duì)于情報(bào)收集、通訊保障、偵查監(jiān)視以及空間探測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。近年來(lái)日益受到人們的關(guān)注。蒙皮材料作為飛艇的主體結(jié)構(gòu)材料，是發(fā)展近空間飛艇的關(guān)鍵因素之一，其性能高低直接影響飛艇的類型、成本及壽命。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)及國(guó)外臨近空間飛艇蒙皮材料的強(qiáng)度、阻隔性、耐候性和評(píng)價(jià)手段等方面的研究進(jìn)行總結(jié)，最后提出我國(guó)關(guān)于飛艇蒙皮材料研究需要考慮的問(wèn)題。

復(fù)合材料；飛艇蒙皮；近空間

1 引 言

平流層飛艇是指飛行于大氣平流層的飛艇，工作高度一般為18～24 k m左右，主要依靠靜升力駐空工作。由于平流層飛艇在軍事偵察、空間預(yù)警、 通信中繼和空間探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，近些年來(lái)日益受到人們的關(guān)注。 蒙皮材料作為飛艇的主體結(jié)構(gòu)材料，其性能的高低直接影響飛艇的應(yīng)用效能，如浮空高度、持續(xù)飛行時(shí)間、有效載荷、服役壽命等。

由于飛艇長(zhǎng)期工作的地點(diǎn)在平流層這種特殊的環(huán)境中，晝夜溫差非常大，大氣空氣稀薄，密度約為0.088 9 kg/m3，僅為地面的1/14，其蒙皮材料必須滿足輕質(zhì)高強(qiáng)、耐候(高低溫、濕度、紫外線輻射臭氧等)以及低的面密度和氦氣滲透率。目前各國(guó)對(duì)飛艇的研究均處于研究階段，現(xiàn)在沒(méi)有通用的標(biāo)準(zhǔn)要求，日本研究機(jī)構(gòu)曾提出其中蒙皮材料的面密度<380 g/m2，抗撕裂強(qiáng)度>300 N/cm，氦氣滲透率<1 L/(m2·24h·0.1 MPa)，才有工程應(yīng)用。

2 蒙皮材料研究進(jìn)展

截止目前為止，尚沒(méi)有一種材料能夠滿足上述材料性能，飛艇的蒙皮材料屬于典型的復(fù)合材料，飛艇一般由承重層，阻氦層，耐候?qū)?，粘結(jié)層，焊接層組成[1]，如圖1所示。

圖1 蒙皮材料結(jié)構(gòu)圖

2.1 承重層

承重層幾乎承受囊體的全部強(qiáng)度，是囊體材料的核心層，主要承受飛艇內(nèi)壓并確保蒙皮的強(qiáng)度，由纖維織物構(gòu)成。作為基質(zhì)的纖維織物結(jié)構(gòu)形式一般為低支數(shù)低密度平紋布：從發(fā)展早期的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇纖維(牌號(hào)Dacron)，尼龍，高強(qiáng)聚乙烯纖維(牌號(hào)Dyneema)，到芳綸(牌號(hào)Kevlar1414)及聚芳酯(牌號(hào)Vectran)、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑纖維(PBO)等纖維復(fù)合材料。

日本航空宇宙研究機(jī)構(gòu)等分別采用了芳香族聚酯纖維、芳綸纖維和聚對(duì)苯撐苯并二惡唑纖維等織物作為承重層進(jìn)行了高強(qiáng)纖維基質(zhì)飛艇蒙皮材料的研究，發(fā)現(xiàn)PBO基蒙皮材料在所測(cè)試的材料中性能最優(yōu)，強(qiáng)度最高，在不同環(huán)境溫度下有優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠滿足飛艇蒙皮的基本要求[2]。

我國(guó)最早在90年代初期，北京航空材料研究所[3]研制的Dacron(滌綸)基體承力層在我國(guó)第一艘充氦氣載人飛艇FK-4上得到應(yīng)用。

北京空間機(jī)電研究所曹旭等[4]采用自制的PBO平紋織物作為承重層，厚度為200 μm，幅寬為50 cm，面密度達(dá)到86.45 g/m2，經(jīng)向抗拉強(qiáng)度大于1 000 N/cm，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到承重層要求。

東華大學(xué)王琳等[5]采用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)低密的滌綸平紋織物和國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂，經(jīng)測(cè)試所研制的材料不僅滿足飛艇蒙皮材料基本要求，而且略高于國(guó)外Dacron基質(zhì)蒙皮材料。

國(guó)防科技大學(xué)劉卓峰等[6]采用國(guó)產(chǎn)芳綸平紋布作為基質(zhì)承力層，發(fā)現(xiàn)斷裂強(qiáng)度達(dá)到1 790 N/cm，膜/布抗剝離強(qiáng)度>5.5 N/cm等，各項(xiàng)指標(biāo)也滿足飛艇蒙皮的基本要求。近年來(lái)中國(guó)航天科工六院46所由于F-12纖維的研發(fā)成功，也在積極探索在飛艇承重層方面的應(yīng)用。

2015年8月我國(guó)商用平流層飛艇-旅行者號(hào)在新西蘭試飛，其飛艇用蒙皮材料由中國(guó)航天科工六院46所設(shè)計(jì)制造,同年10月北京航空航天大學(xué)等研制臨近空間平臺(tái)“圓夢(mèng)號(hào)”，上海交通大學(xué)也曾進(jìn)行了飛艇放飛實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究。

總之，巧用乘法分配律與結(jié)合律解釋小數(shù)乘法的意義，有助于學(xué)生對(duì)小數(shù)乘法的習(xí)得過(guò)程更為靈活、高效，同時(shí)可避免傳統(tǒng)課堂中對(duì)于小數(shù)乘法知識(shí)內(nèi)容的死記硬背式的學(xué)習(xí).

高空飛艇(HAA)是美國(guó)軍方重點(diǎn)支持的發(fā)展項(xiàng)目,主要用于驗(yàn)證飛艇平臺(tái)。HAA一直致力于研究高強(qiáng)度重量比的蒙皮材料，研究的突破點(diǎn)正是開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度的織物纖維。2008年7月確定利用現(xiàn)有技術(shù)制作一個(gè)長(zhǎng)度為73.15 m，最大直徑為21.34 m的試驗(yàn)樣機(jī)，駐空時(shí)間半個(gè)月以上,有效載荷為22.7 kg， 并于2009年夏天進(jìn)行試飛。樣機(jī)的蒙皮材料為聚酯基柔性復(fù)合材料。

2.2 阻氦層

由于現(xiàn)代飛艇基本都使用氦氣作為浮升氣體，要使飛艇長(zhǎng)時(shí)間駐留在空中,作為蒙皮必須具備阻氦性能。Tedlar、聚氨酯等材料都具有一定的阻隔性能[7]，其中Tedlar膜具有一定的抗?jié)B透率和抗霉菌性，其外氣囊膜滲透氦氣約為0.2 L/m2·d·A～1.14 L/m2·d·A。目前為止，性能最好的氦氣阻隔膜是日本可樂(lè)麗公司生產(chǎn)的EVAL(聚乙烯和聚乙烯醇的共聚物)商用薄膜。

國(guó)內(nèi)李斌太等[8]采用PET(聚對(duì)苯二甲酸二甲酯)薄膜作為阻隔層，并對(duì)其進(jìn)行改性,為了充分利用鋁的阻隔性能，又避免其缺點(diǎn)，對(duì)PET薄膜進(jìn)行金屬化改性，通過(guò)磁控濺射工藝制備出金屬化試樣，如表1所示。

表1 金屬化后PET薄膜氦氣阻隔性能變化

經(jīng)過(guò)鍍鋁后PET薄膜氦氣透過(guò)量明顯減少，證明金屬化PET薄膜對(duì)氦氣有良好的阻隔性能。

2.3 耐候?qū)?/p>

聚偏二氟乙烯和聚氟乙烯膜具有良好的耐彎折、耐磨損和自清潔的特性，是良好的耐侯層材料。其中聚氟乙烯涂層膜材料具有材料輕、強(qiáng)度高、氣密性優(yōu)、抗形變等顯著的優(yōu)點(diǎn)，杜邦公司生產(chǎn)的聚氟乙烯膜使用的最為廣泛[9]。美國(guó)海軍Sentinel1000飛艇采用聚氟乙烯聚酯布復(fù)合層，具有較好的耐候性，同時(shí)具有一定的雷達(dá)隱身性能。此外，由于熱塑性聚氨酯具有優(yōu)良的抗拉伸、耐高低溫、抗撕裂和抗老化性能，也廣泛的應(yīng)用于防護(hù)材料中。

2.4 粘接層

粘結(jié)層是將承力層、阻氦層和耐候?qū)尤龑诱辰Y(jié)在一起的媒介，因此是蒙皮材料中一項(xiàng)重要的組成部分，需要一定的耐脫層性和耐候性，同時(shí)在多次屈撓后扔能保持原來(lái)的狀態(tài)，不發(fā)生脫層現(xiàn)象[10]。

粘結(jié)劑不僅可以用于層與層之間的粘合，也可以用于膜片的焊合縫。常用的粘合劑有以下三種：聚酯類、聚醚類和聚氨酯類，三類粘合劑有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)各層材料的特點(diǎn)選擇合適的粘合劑。但總體來(lái)說(shuō)聚氨酯粘合劑在蒙皮材料上應(yīng)用較多。其分子鏈中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(-NHCOO-)或異氰酸酯基(-NCO)，粘結(jié)性較高，可以粘結(jié)多種不同材料，可以在極低的溫度下保持較高的玻璃化強(qiáng)度，粘結(jié)后的粘結(jié)層耐沖擊性好、堅(jiān)韌、繞曲性好，耐油和耐磨性好。

杜邦公司生產(chǎn)應(yīng)用于飛艇囊體材料上的新型聚酯型熱塑性彈性體，其黏合強(qiáng)度可以達(dá)到0.069 MPa以上，性能優(yōu)異[11]。

馮銘竹[12]等人采用國(guó)產(chǎn)的雙組份聚氨酯粘合劑開(kāi)發(fā)制備平流層飛艇蒙皮材料，并研究了粘合劑的配方、初固化溫度和熟化條件等對(duì)蒙皮材料綜合性能的影響，并進(jìn)行調(diào)控，最終制得了具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐候性能的蒙皮材料。

2.5 蒙皮拼接技術(shù)

蒙皮各個(gè)功能層一般采用熱壓層合工藝，經(jīng)過(guò)制備完成的膜片需要拼接成飛艇蒙皮，蒙皮外囊片的連接形式一般分為平接、搭接、錯(cuò)接三種，大型飛艇大多采用對(duì)接法，并在局部處采用錯(cuò)接。

對(duì)接法需采用專門的對(duì)接膠帶，進(jìn)行高頻熔接，間隙控制在1 mm，外對(duì)接膠帶寬度為60～80 mm之間，內(nèi)對(duì)接帶寬度40～50 mm。也有采用縫合方法，然后采用針眼密封處理。

中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院四十六研究所鄧云飛等[13]對(duì)浮空器蒙皮材料采用高頻焊接機(jī)對(duì)接焊接蒙皮片層，得出纖維線密度與焊接帶焊接性能成正比關(guān)系，織物面密度越小，織物結(jié)構(gòu)越稀松，焊接帶剝離性能越好，緞紋結(jié)構(gòu)焊接帶焊接剝離性能普遍偏低。

上海交通大學(xué)高海建等[14]對(duì)三種氣囊膜材進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3216L膜材采用對(duì)接焊縫時(shí)，發(fā)現(xiàn)試件都是在焊縫處破壞，原因可能是由于高溫導(dǎo)致材料性能改變以及對(duì)接縫處應(yīng)力集中，在實(shí)際工程中可以采用雙面焊等措施解決。

3 研究意義

蒙皮材料的選擇和研制及其復(fù)合工藝等對(duì)最終的飛行器性能都起著至關(guān)重要的影響[15]。而我國(guó)在這一方面與國(guó)外相比還有一定的差距，自主研發(fā)的蒙皮材料較少，主要依賴于進(jìn)口復(fù)合好的材料或者將進(jìn)口的阻氣膜和防老化膜與國(guó)產(chǎn)布基材料進(jìn)行復(fù)合，這不利于進(jìn)行多功能、多用途飛艇的研究，同時(shí)成本較高，限制了我國(guó)飛艇的進(jìn)一步發(fā)展。因此，研發(fā)性能優(yōu)異的蒙皮材料和特種材料，不斷改性形成工藝，已成為當(dāng)今亟待解決的問(wèn)題。

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Research Status of Near Space Airship Envelop Materials

FEI Chuan1，WANG Ziqiao2，ZHOU Xiuyan2，WANG Fei2

(1.Deputy of Chinese Army in Harbin, Harbin 150036)(2.Harbin FRP Institute,Harbin,150036)

Near space airship has huge potential for information gathering, communication, globle spying and space exploration that has gained increasing attention in recent years .Envelop materials as main structure materials is the key factor for development of near space ship. Envelop material directly influence the spaceship type, cost and service life. This paper summarizes the research on the strength, barrier, weatherability and evaluation methods of airship skin materials in recent years. At last, some problems in the research of airship envelop materials are put forward.

composite material; space airship envelop; near space

2016-09-07)

費(fèi)川(1983-)男，吉林人，碩士。研究方向：復(fù)合材料工藝及裝備綜合保障。E-mail：150017986@qq.com.