長征7號火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層的研制

張 巍, 馬 磊, 王曉東, 張 濤

(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 航天催化與新材料研究室, 遼寧大連 116023)

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，不僅飛行器本身需要進行高溫防護[1-2]，地面設(shè)施的火箭發(fā)射臺也增加了高溫防護。當(dāng)火箭發(fā)射時，尾焰燃?xì)饬鳒囟葘⒏哌_2 200 ℃以上，在此溫度下，作為火箭發(fā)射臺的鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能將下降。因此，必須采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧?，保證鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下仍具有足夠的強度和剛度，同時確保設(shè)備間內(nèi)的儀器設(shè)備正常工作，提高火箭發(fā)射臺工作的可靠性。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，新一代中型運載火箭長征七號火箭研制成功，其運載能力較現(xiàn)用火箭大幅度提升。由于發(fā)動機的總流量和燃燒溫度明顯提高，因此，對火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層的要求也更加苛刻[3-4]。

在國外，歐洲航天局的阿里安火箭發(fā)射臺采用混凝土打造，雖然其抗燃?xì)獯祾邿g性能比在鋼結(jié)構(gòu)的表面上涂覆有機燒蝕涂料好，但材料的厚度厚，重量重，且發(fā)射臺無法進行移動。在國內(nèi)，以有機硅樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等有機材料制備的耐燒蝕涂料或者水玻璃等無機材料制備的耐高溫涂料[5-6]，雖然耐燒蝕性或耐高溫性較好，但施工條件要求較高，或需要高溫固化，或需要防水處理，因此均未在火箭發(fā)射臺領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

文中研制了一種用于火箭發(fā)射臺的耐高溫涂層材料。文中首先分析了作為火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層應(yīng)具有的特性,并以雙層涂層結(jié)構(gòu)制備出耐高溫涂層。表層采用不定形耐火材料作為涂層,這類材料具有工藝簡單、節(jié)約能源、無毒等特點[7-9]。最后,對耐高溫涂層材料的綜合性能進行了測試。

1 火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層的基本要求分析

作為長征7號火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層,材料應(yīng)具有以下特性:涂層與火箭發(fā)射臺的鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)具有良好的粘結(jié)性;涂層具有足夠的耐壓強度和抗沖刷性能;導(dǎo)熱系數(shù)小;與基材鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)匹配;良好的隔熱性能;良好的抗熱震性能。另外,由于長征7號火箭發(fā)射臺位于沿?；鸺l(fā)射基地,因此涂層還要求適應(yīng)高濕、高紫外線照射和鹽霧腐蝕等特殊的自然環(huán)境。

2 試驗

2.1 方案

用于火箭發(fā)射臺的耐高溫涂層采用雙層結(jié)構(gòu),選用的原材料及含量見表1。

表1 耐高溫涂層的組成 %

2.2 試樣制備

金屬鋼板的表面處理:采用80目水砂紙對鋼板表面進行打磨,處理表面的漆和銹,達到st3級。

底層涂料配制:各組分按比例混合,待攪拌均勻后,分別涂覆在Φ20 mm的圓柱形鋼柱表面(用于測試底層材料的附著力)以及除銹、除漆后的190 mm×120 mm×5 mm的鋼板上(待涂覆表層材料后,用于測試耐高溫涂層材料的耐燒蝕及隔熱性能、耐鹽霧性能、老化性能)。

表層涂料配制:各組分按比例混合后,加入水?dāng)嚢? min,然后制備成160 mm×40 mm×40 mm的試樣。測試試樣養(yǎng)護一天后的體積密度、常溫抗折強度和耐壓強度。試樣經(jīng)110 ℃烘于1 300 ℃保溫3 h煅燒,測試試樣的體積密度、常溫抗折強度和耐壓強度。制備Φ20 mm×100 mm的試樣,用于測試材料的熱膨脹系數(shù)。制備Φ180 mm×25 mm的試樣,用于測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在涂覆完底層的190 mm×120 mm×5 mm的鋼板上涂覆表層涂料,制備總厚度為20 mm的樣板,用于測試材料的耐鹽霧性能、老化性能、縮比試驗發(fā)動機隔熱性能及耐燒蝕性能。

2.3 性能測試

2.3.1 底層附著力

附著力測試參照GB/T 5210—2006進行。

2.3.2 耐高溫性能

體積密度測試參照YB/T 5200—1993進行;常溫抗折強度測試參照GB/T 3001—2007進行;常溫耐壓強度測試參照GB/T 5072—2008進行;導(dǎo)熱系數(shù)測試參照YB/T 4130—2005進行;熱膨脹系數(shù)測試參照GB/T 7320—2008進行;耐火度測試參照GB/T 7322 —2007進行。

2.3.3 耐高溫涂層性能

耐鹽霧性能測試參照GB/T 1771—2007進行;老化性能測試參照GB/T 14522—2008進行;縮比試驗發(fā)動機耐燒蝕及隔熱性能測試,采用縮比發(fā)動機對耐高溫涂層進行試驗件背面溫度和材料表面耐燒蝕性能的測試。試驗條件:發(fā)動機燃料為氧氣、煤油;發(fā)動機燃燒室壓力：Pc=1.4±0.05 MPa;噴管出口燃?xì)鉁囟龋? 210 K;噴管出口燃?xì)馑俣葹? 390 m/s;燃燒室溫度為3 470 K;燒蝕試驗時間為：10 s/件。

3 結(jié)果與討論

3.1 涂層底層力學(xué)性能

耐高溫涂層底層采用環(huán)氧樹脂為基體材料,環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的粘結(jié)性能,但其脆性較大,不適合用于振動較大的環(huán)境。對此,在耐高溫涂層底層中引入助劑,改善了底層脆性大的問題,但隨著助劑的引入,又降低了底層的附著力。為了提高底層的韌性,同時又不降低附著力,通過篩選填料,最終確定選用了一種具有良好性能的填料A。確定成分配比的耐高溫涂層底層的附著力測試結(jié)果見表2。從表中數(shù)據(jù)可知,耐高溫涂層材料底層的附著力達到18.87 MPa,說明涂層與金屬基體具有良好的結(jié)合強度。

表2 耐高溫涂層底層的力學(xué)性能

3.2 涂層表層物理性能

耐高溫涂層表層的物理性能見表3。從表3中可以看出,表層材料具有較高的耐火度;養(yǎng)護一天后的常溫耐壓強度達到48.7 MPa,滿足火箭發(fā)射臺平日工作的需求;導(dǎo)熱系數(shù)為0.692 W/(m·K),小于不定形耐火材料中普通致密澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)0.8～1.5 W/(m·K),宏觀上表現(xiàn)為材料具有良好強度的同時具備較好的隔熱性能;熱膨脹系數(shù)在200 ℃時為8.73×1-6℃-1,與鋼鐵的熱膨脹系數(shù)相匹配。為了提高表層材料的抗熱震性能,引入了熱膨脹系數(shù)較小的堇青石材料,文獻[10-12]的研究表明,由其構(gòu)成的復(fù)合材料的抗熱震性能明顯提高。當(dāng)含有堇青石的表層材料由環(huán)境溫度瞬間接觸到火箭尾焰的高溫時,由于其具有良好的抗熱震性能,宏觀上表現(xiàn)為材料表面無裂紋,無脫落。

表3 耐高溫涂層表層的物理性能

3.3 耐高溫涂層耐鹽霧性能和老化性能

目前,我國火箭發(fā)射基地正在向運輸和發(fā)射更為便捷的沿海區(qū)域發(fā)展,而沿海區(qū)域的高濕、高紫外線照射和鹽霧腐蝕等特殊的自然環(huán)境對發(fā)射臺用耐高溫涂層也提出了更高的要求。對此,對研制的耐高溫涂層的耐鹽霧性能和老化性能也進行了測試,結(jié)果見表4。由表4中的結(jié)果可知,熱防護涂層滿足使用要求。

表4 耐高溫涂層的耐鹽霧性能和老化性能

3.4 縮比試驗發(fā)動機隔熱性能及耐燒蝕性能

利用縮比試驗發(fā)動機的模擬燃?xì)饬鳠g耐高溫涂層，研究涂層的隔熱性能和耐燒蝕性能。試樣為金屬鋼板一側(cè)涂有耐高溫涂層,不帶有涂層的金屬面為背面。試驗條件為模擬火箭發(fā)射時的尾焰吹掃情況,火焰吹掃涂有耐高溫涂層一側(cè)的金屬鋼板,測試不涂覆耐高溫涂層一側(cè)金屬的溫度(背面溫度)?？s比發(fā)動機熱流測試模型安裝示意圖如圖1所示,熱流密度見表5,各點對應(yīng)的壓力見表6。涂層的背面溫度如圖2所示。

表5 熱流密度

從圖2中可以看出,當(dāng)試樣經(jīng)過縮比發(fā)動機模擬火箭尾焰燒蝕10 s后,涂層的背面溫度在剛開始的20 s內(nèi)以較快的速度從室溫升高至65 ℃左右,然后從20～60 s內(nèi)在該溫度基本保持穩(wěn)定。而后從60 s開始,涂層的背面溫度又緩慢升溫。上述試驗結(jié)果表明,在以上測試條件下,在120 s以內(nèi),5 mm厚的鋼板在20 mm厚的耐高溫涂層保護下,其背面溫度不超過80 ℃,說明該涂層具有良好的隔熱性能,較低的背面溫度可以有效確?；鸺l(fā)射臺設(shè)備間內(nèi)的儀器設(shè)備正常工作。

在耐燒蝕性方面,表7示出了耐高溫涂層經(jīng)縮比發(fā)動機模擬火箭尾焰燒蝕后的結(jié)果。由表7可知,耐高溫涂層線燒蝕率的平均值為0.277 mm/s?？梢?該涂層的耐燒蝕性良好,當(dāng)涂層厚度為20 mm時,可滿足火箭多次發(fā)射的需求。

4 應(yīng)用

根據(jù)上述試驗結(jié)果,將研制的火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射基地的長征7號火箭發(fā)射臺上進行了實際使用。結(jié)果表明:2016年6月25日長征7號火箭發(fā)射后,涂覆的耐高溫涂層能夠承受實際燃?xì)饬鳑_刷，涂層僅有極小面積被吹掃掉,脫落面積不超過總涂覆面積的5%。發(fā)射臺鋼結(jié)構(gòu)背面溫度小于100 ℃,滿足使用要求。因此,該耐高溫涂層可以在長征7號火箭發(fā)射臺上使用，使用后能夠使火箭發(fā)射臺減少熱燒蝕和熱沖擊，確保火箭發(fā)射臺工作的可靠性，為長征7號火箭首飛的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1)火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層應(yīng)具有導(dǎo)熱系數(shù)小,與基材鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)匹配,耐壓強度和抗沖刷性能好,隔熱性能好,抗熱震性能好,與火箭發(fā)射臺的鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)具有良好的粘結(jié)性,以及能夠適應(yīng)高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線照射的特殊自然環(huán)境等特性。

2)文中所研制的火箭發(fā)射臺用耐高溫涂層具有良好的性能。其底層附著力達18.87 MPa,表層耐火度為1 660 ℃,養(yǎng)護一天后的常溫耐壓強度達到48.7 MPa,導(dǎo)熱系數(shù)為0.692 W/(m·K),熱膨脹系數(shù)在200 ℃時為8.73×10-6℃-1,與鋼鐵的熱膨脹系數(shù)相匹配。耐高溫護涂層具有良好的耐鹽霧性能和老化性能,氧氣-煤油縮比試驗發(fā)動機燒蝕的線燒蝕率為0.277 mm/s。隔熱性能測試結(jié)果表明,當(dāng)縮比試驗發(fā)動機模擬火箭尾焰的燃?xì)饬髯畲鬅崃髅芏葹?.4 MW/m2,燒蝕時間為10 s時,5 mm厚的鋼板在20 mm厚的耐高溫護涂層保護下,其背面溫度不超過80 ℃。

3)經(jīng)過長征7號火箭發(fā)射臺上的實際使用表明,涂層能夠承受燃?xì)饬鳑_刷,僅有極小面積被吹掃掉,脫落的涂層面積不超過總涂覆面積的5%。發(fā)射臺鋼結(jié)構(gòu)背面溫度小于100 ℃,滿足使用要求。研制的耐高溫涂層起到了使火箭發(fā)射臺減少熱燒蝕和熱沖擊的作用,確保了火箭發(fā)射臺工作的可靠性,為長征7號火箭首飛的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)。

6 致謝

北京航天長征飛行器研究所的有關(guān)人員對文中的試驗提供了相關(guān)的幫助和支持,并進行了有益的探討,在此表示感謝。

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