固體推進(jìn)劑包覆技術(shù)研究進(jìn)展

邊 城，張 艷，時藝娟，李宏巖，趙鳳起

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

固體推進(jìn)劑的包覆層是涂敷于燃燒室藥柱不同部位、起限制藥柱燃燒面的一層耐燒蝕材料。包覆層的作用是控制推進(jìn)劑藥柱的燃燒面積，保證火箭發(fā)動機按照設(shè)計規(guī)律工作，同時隔絕火藥燃燒時產(chǎn)生的高溫氣體，保護(hù)發(fā)動機殼體免受燒蝕[1]。目前，推進(jìn)劑包覆技術(shù)已成為固體火箭和導(dǎo)彈發(fā)動機裝藥的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航天和軍事領(lǐng)域。

包覆層不僅直接關(guān)系到火箭發(fā)動機的內(nèi)彈道性能，也是其使用壽命的決定性因素之一。一方面，火箭的飛行曲線和推力取決于發(fā)動機中推進(jìn)劑燃燒的燃燒面，而包覆層是保證藥柱按照設(shè)計的燃燒面工作的重要結(jié)構(gòu)[2]；另一方面，推進(jìn)劑工作時，包覆層須經(jīng)歷高溫、高壓和高速氣流及粒子沖刷等惡劣工況的考驗，因此包覆層材料須具有優(yōu)異的耐燒蝕性能。包覆層體系除了應(yīng)具有低密度、低熱導(dǎo)率和低燒蝕率的特點，還應(yīng)滿足以下要求[3]：(1)具有良好的機械性能，尤其是良好的延展性和韌性；(2)與推進(jìn)劑粘接良好，但在貯存期間與推進(jìn)劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理滲透；(3)可以抵抗推進(jìn)劑中的硝化甘油(NG)和1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)等小分子的遷移；(4)熱膨脹性能與推進(jìn)劑盡量接近。

在推進(jìn)劑包覆技術(shù)的發(fā)展早期，以不飽和聚酯(UPR)和聚氨酯(PU)為代表的高分子基復(fù)合材料憑借其低廉的成本和優(yōu)異的加工性能，成為制備推進(jìn)劑包覆層的首選材料。高分子基復(fù)合材料包覆層的使用可以追溯到20世紀(jì)40年代[4]，美國研究人員采用醋酸纖維素局部粘貼的方法獲得了抑制燃燒面的效果，同時提高了能量利用率。由于醋酸纖維素對硝化甘油(NG)的強吸收，其逐漸被乙基纖維素代替。之后又逐漸發(fā)展了以UPR、PU、環(huán)氧樹脂(EP)、硅橡膠(SR)和三元乙丙橡膠(EPDM)基包覆層[5]。

近年來，隨著固體火箭推進(jìn)劑技術(shù)的不斷發(fā)展，對裝藥包覆層的要求也越來越高。為了改善和提高包覆層的各項性能，滿足日益多樣化的需求，研究人員通過對高分子基體進(jìn)行改性、優(yōu)化無機/有機填料及其他功能助劑的用量配比、優(yōu)化包覆工藝等手段，國內(nèi)外包覆技術(shù)均取得了長足的發(fā)展。但是，鮮有較為全面的相關(guān)綜述。

在固體火箭及推進(jìn)劑行業(yè)，還涉及與包覆層概念相近的“絕熱層”的概念，二者所描述的對象和應(yīng)用環(huán)境不同，在具體使用中也存在一定的模糊性。其中“包覆層”通常在兵器或裝備行業(yè)中使用，主要針對自由裝填式推進(jìn)劑裝藥而言，強調(diào)其耐燒蝕和限燃的作用；而“絕熱層”則通常在航天航空等領(lǐng)域使用，主要針對固體火箭發(fā)動機整體而言，指的是貼覆于燃燒室內(nèi)壁發(fā)動機中的耐燒蝕絕熱材料，強調(diào)其耐燒蝕和絕熱的作用。本文主要針對前者，即應(yīng)用于推進(jìn)劑裝藥的包覆層，以高分子基體及其改性、包覆工藝和包覆層質(zhì)量檢測技術(shù)等方面為重點，介紹近年來國內(nèi)外推進(jìn)劑包覆技術(shù)取得的最新研究進(jìn)展，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望，以期為固體推進(jìn)劑包覆技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供幫助。

1 包覆用高分子基體

1.1 不飽和聚酯

不飽和聚酯(UPR)是二元酸(或酸酐)與二元醇經(jīng)縮聚而制得的不飽和線性熱固性樹脂。其中的二元酸或酸酐為不飽和二元酸或酸酐時，構(gòu)成UPR中的不飽和雙鍵部分，在液態(tài)乙烯基單體(如苯乙烯)中經(jīng)引發(fā)劑引發(fā)可使UPR形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。最常用的UPR是由順丁烯二酸酐、鄰苯二甲酸酐和丙二醇合成的UPR，其常用牌號為191#。

UPR與雙基及改性雙基推進(jìn)劑可良好粘接，且具有高強度、透明度好、室溫下易固化、加工工藝簡單及成本低廉的優(yōu)勢，在雙基、改性雙基推進(jìn)劑的包覆中應(yīng)用廣泛，目前用于“響尾蛇”地空導(dǎo)彈R440發(fā)動機和“麻雀IIIB”空空導(dǎo)彈燃?xì)獍l(fā)生器中推進(jìn)劑的包覆[6]。自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)多種型號發(fā)動機裝藥中均采用了UPR包覆。但UPR也有其缺陷，如其固化物較脆、低溫下延伸率低以及耐燒蝕性能欠佳(線燒蝕率約為0.65mm/s)[7]。UPR的抗遷移能力中等，可少量吸收NG等小分子，使其在高能推進(jìn)劑中的應(yīng)用受到限制。當(dāng)前，國內(nèi)外研究人員主要針對UPR進(jìn)行增韌和耐燒蝕改性研究。

通過在UPR中引入韌性較好的高分子或者在主鏈中引入柔性鏈段可以改善UPR的力學(xué)性能。具體做法是在UPR中加入液體或粉末的橡膠(如天然橡膠、丁腈橡膠和丁苯橡膠等)、熱塑性PU等。葛曷一等[8]采用含有活性端基的PU增韌UPR，當(dāng)PU添加量占橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15%時，沖擊強度可提高60%以上，且拉伸強度、彎曲強度及耐熱性也有提高。楊士山等[9]制備了一類PU改性UPR，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的韌性和拉伸強度，這源于氮雜環(huán)可以保證UPR的分子鏈剛性，PU則可以改善UPR的韌性。

采用納米粒子改性UPR可以有效改善其韌性和拉伸強度等力學(xué)性能。馬曉東等[10]研究發(fā)現(xiàn)，引入納米TiO2會改變UPR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，表明TiO2可以與UPR在微觀上相容；袁金鳳等[11]發(fā)現(xiàn)蒙脫土對UPR具有顯著的增韌效果，含蒙脫土的UPR其耐燒蝕性能也有顯著提高。通過引入水合硼酸鋅和氧化銻阻燃劑或硼酚醛和SiO2等耐燒蝕組分可以有效改善UPR的耐燒蝕性能；李東林等[7]研究了碳纖維的長度及用量和氫氧化鋁的用量對UPR耐燒蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高碳纖維的長度和加入量均可顯著改善UPR包覆層的線燒蝕率。

由于UPR包覆層可以與雙基推進(jìn)劑形成可靠粘接，因此其發(fā)展水平與雙基推進(jìn)劑的發(fā)展密不可分。隨著雙基和改性雙基推進(jìn)劑逐漸被高能推進(jìn)劑取代，其應(yīng)用需求可能也將受到影響。但是憑借其低廉的成本、優(yōu)異的加工性能和可常溫固化的優(yōu)勢，其在包覆層領(lǐng)域仍將長期占有一定地位。通過優(yōu)化其阻燃性能、耐燒蝕性能和力學(xué)性能，UPR包覆層將有望應(yīng)用于高能推進(jìn)劑等體系中。

1.2 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂(EP)是指由環(huán)氧氯丙烷、雙酚A、多元醇/酚/酸/胺等為原料，經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的分子鏈上攜帶兩個以上環(huán)氧基的一類有機材料，其通常分子質(zhì)量較低。EP中環(huán)氧基具有很強的反應(yīng)活性，含有活潑氫的化合物(固化劑)可使EP開環(huán)固化，并最終形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前使用最廣的是雙酚A型EP，也稱縮水甘油醚類EP，其常用牌號為E51。

EP憑借其與推進(jìn)劑粘接性能良好、固化收縮率低、固化時不產(chǎn)生副產(chǎn)物的特點，廣泛應(yīng)用于復(fù)合推進(jìn)劑包覆層。20世紀(jì)60年代初，美國的Thiokol化學(xué)公司率先嘗試將EP應(yīng)用于端羥基聚丁二烯(HTPB)型復(fù)合推進(jìn)劑的包覆層。Fries等[4]制備的聚酰胺/EP型室溫固化包覆層在高低溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在雙基推進(jìn)劑的批量制備和長期貯存方面有很大優(yōu)勢。其中聚酰胺中的胺基具有交聯(lián)作用，固化后的體系脆化溫度很低，在-54℃低溫下仍能保持良好的力學(xué)性能；Shahedifar等[12]將棉線纖維和氧化銻加入到EP和乙烯基樹脂中，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與雙基推進(jìn)劑相當(dāng)，同時可以耐NG遷移，可用于雙基推進(jìn)劑的包覆。

國內(nèi)張艷等[13]以EP為基體樹脂，通過添加聚磷酸胺、聯(lián)二脲、炭黑和憎油劑等助劑或填料，制備得到耐油耐堿的包覆層材料，將其應(yīng)用于某壓裂彈推進(jìn)劑包覆，滿足其150℃/48h的工作要求；楊春海等[14]將充分球磨的TiO2加入EP中，制備得到的EP基包覆層材料可用于多孔粒狀發(fā)射藥的端面包覆。

在EP主鏈中引入彈性鏈段或在EP中添加納米填料可以顯著改善EP包覆層脆性大和延伸率低的問題。高潮等[15]合成了一類含異氰脲酸酯基的EP，并以一種端胺基聚醚為固化劑，制備得到的PU型EP在低溫下即可固化，延伸率顯著高于通用EP，適用于大多數(shù)推進(jìn)劑的包覆。

EP中富含大量活性端基，且固化時收縮率低，因此可與各類型推進(jìn)劑可靠粘接并良好相容。隨著高能推進(jìn)劑的迅速發(fā)展，EP包覆層的應(yīng)用也日益受到重視。尤其是在帶藥纏繞包覆技術(shù)中，EP憑借其可低溫固化的優(yōu)勢，可有效避免人工操作的危險性，易于實現(xiàn)人機隔離。雖然EP的力學(xué)性能不如橡膠類體系，但采用諸如橡膠和PU等體系增韌均可顯著改善EP的力學(xué)性能，這是EP包覆層的發(fā)展重點。

1.3 聚氨酯

聚氨酯(PU)是主鏈上重復(fù)分布有氨基甲酸酯基(—NHCOO—)的聚合物。PU由多元異氰酸酯(如TDI、MDI等)與端羥基聚醚、端羥基聚酯為原料制得[8]。其具有以下優(yōu)勢：(1)較寬的溫度適應(yīng)范圍，尤其在低溫下仍能保持較好的韌性；(2)可通過調(diào)節(jié)分子鏈上的軟、硬段構(gòu)成實現(xiàn)產(chǎn)品性能調(diào)控；(3)良好的固化工藝性，表現(xiàn)在固化過程中副產(chǎn)物少，收縮率低；(4)原料價格低廉。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器作戰(zhàn)要求和偵察探測手段日益提高，對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的低特征性能要求逐漸提高，PU包覆層的低特征性能日益得到關(guān)注。PU中(N+O)/C摩爾比較高，應(yīng)用于推進(jìn)劑包覆具有發(fā)煙量少的優(yōu)勢。Proebster[21-24]研發(fā)并公開了一系列低特征PU包覆材料，概括了可應(yīng)用于PU制備的有機功能助劑，包括酰胺、脲和胍等，例如草酰胺、縮二脲、聯(lián)二脲和琥珀酰亞胺等，也可以采用這些有機物的硼酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽或草酸鹽。

國內(nèi)在20世紀(jì)80年代逐漸開始采用PU基包覆層，主要將PU應(yīng)用于低特征信號包覆層中，因此在選材上側(cè)重選用脂肪族端羥基聚酯、聚醚與脂肪族多異氰酸酯合成的PU，并添加抑煙助劑以進(jìn)一步降低其發(fā)煙水平。朱開金等[18]將TDI和MDI復(fù)合制備得到的PU包覆層具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且特征信號性能更佳。

西安近代化學(xué)研究所在PU基包覆層方面開展了大量研究。趙鳳起[25-27]自20世紀(jì)90年代初報道了國內(nèi)外PU包覆層的研究進(jìn)展，詳細(xì)論述了PU包覆層中原料選擇依據(jù)和制備工藝優(yōu)化方法，主要包括：(1)使用亞甲基醚二醇等多元醇和縮二脲、三聚氰胺等阻燃消煙劑可以獲得低特征信號的PU包覆層；(2)添加SiO2、碳纖維等無機填料或耐熱纖維可以提高耐熱性和耐燒蝕性能；(3)添加十溴聯(lián)苯醚等有機阻燃劑或Sb2O3等無機阻燃劑可提高阻燃性能，有效防止包覆層的后燃現(xiàn)象。史愛娟等[16]將不同類型的磷酸酯引入PU，制備得到一系列具有低特征信號和優(yōu)異阻燃特性的PU包覆層；吳淑新等[28]以端羥基碳氮雜環(huán)氯化聚醚多元醇為原料，制備得到的PU具有良好的力學(xué)性能、耐熱性和阻燃性能；楊士山等[29]采用自制的含雙鍵的PU改性UPR，制備得到具有良好力學(xué)性能和耐熱性的包覆層基體，可應(yīng)用于雙基或改性雙基推進(jìn)劑的包覆。

PU憑借其低特征信號、力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、與推進(jìn)劑可良好粘接的優(yōu)勢，廣泛用于各類固體推進(jìn)劑的包覆。目前主要用于燃?xì)獍l(fā)生器和內(nèi)孔裝藥包覆層，且多為可燃或緩燃包覆層。由于制備PU包覆層的原料吸濕性較強，因此在加工工藝上較UPR和EP等復(fù)雜，但其仍有較大的應(yīng)用價值。通過添加納米增強材料和耐燒蝕組分提高PU的力學(xué)性能和阻燃、耐燒蝕性能，將是PU包覆層的研究重點。

1.4 有機硅

有機硅化合物泛指硅樹脂、硅橡膠、硅油和硅烷偶聯(lián)劑等含硅的有機化合物。應(yīng)用于固體推進(jìn)劑包覆的主要為硅橡膠和硅樹脂。兩者的主鏈均由硅-氧-硅交替構(gòu)成，區(qū)別在于前者通常為線性結(jié)構(gòu)，硅原子上連接兩個可供硫化的有機基團(tuán)(如乙烯基)，因此硅橡膠具有有機和無機材料的雙重特性。硅樹脂中分子鏈則不一定是線型，硅原子上的有機基團(tuán)可供進(jìn)一步交聯(lián)，其固化后形成高度交聯(lián)、不溶不熔的熱固性聚硅氧烷。目前應(yīng)用于推進(jìn)劑包覆的主要為室溫硫化型硅橡膠(RTV)。

硅橡膠具有優(yōu)異的耐熱、耐老化、耐低溫以及強的抗硝化甘油遷移能力，同時與填料的相容性良好，固化工藝性良好，制得的包履層耐燒蝕性能優(yōu)良。硅橡膠可在180℃下長期工作，瞬時可耐300℃高溫[30]。通過改變苯基在硅橡膠中的比例，可實現(xiàn)提高硅橡膠耐高、低溫性能的目的。在RTV中引入三氟丙基、氰基可提高硅橡膠的耐油性。

20世紀(jì)60年代初，Whippl等[31]研究硅橡膠的耐燒蝕特性，此后歐美國家逐漸在固體火箭發(fā)動機中采用硅橡膠包覆層或絕熱層。Evans等[2]發(fā)明了一系列有機硅基包覆層，可用于高能推進(jìn)劑的包覆。20世紀(jì)80年代以來，我國也陸續(xù)開展了硅橡膠包覆層相關(guān)的系列研究。王吉貴等[30]采用硅烷偶聯(lián)劑溶液對推進(jìn)劑表面進(jìn)行預(yù)處理，使得包覆層與推進(jìn)劑之間的粘接強度得到提高；陳國輝等[32]分步制備了PU-硅橡膠互穿網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明該PU基互穿網(wǎng)絡(luò)可以有效提高硅橡膠包覆層的力學(xué)性能。

加入顆粒填料或短切纖維有助于迅速提高硅橡膠的耐燒蝕性能。詹惠安等[33]研究了氣相法白炭黑、中空玻璃微球等填料對RTV力學(xué)性能、工藝性能及燒蝕性能的影響。結(jié)果表明，氣相法白炭黑的補強效果最佳，制備得到的RTV線性燒蝕率為0.05mm/s；張艷等[34]發(fā)現(xiàn)在硅橡膠中添加芳綸纖維可以顯著提高硅橡膠包覆層的力學(xué)性能和耐燒蝕性能，同時對推進(jìn)劑無任何不利影響。

有機硅體系經(jīng)高溫?zé)g后可形成含有耐燒蝕的SiO2、SiC等組分的類陶瓷層，因此具有良好的阻燃、耐燒蝕性能。通過在RTV中添加耐燒蝕組分，添加增強增韌型的納米粒子并提高納米粒子的分散效果，將有望制備得到近乎零燒蝕的硅橡膠包覆層。同時，提高有機硅包覆層與推進(jìn)劑間的粘接性能也是其重要的研究內(nèi)容之一。

1.5 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠(EPDM)是由乙烯、丙烯和非共軛二烯烴為原料制備的共聚物，主要由化學(xué)穩(wěn)定的飽和烴組成，只在側(cè)鏈含有不飽和雙鍵，故其具有優(yōu)異的加工特性。EPDM經(jīng)硫化后具有優(yōu)異的耐熱性和力學(xué)性能。通過調(diào)整第三單體(非共軛二烯烴)的種類和比例，可得到不同類型的EPDM。目前工業(yè)上常用的第三單體主要有乙叉降冰片烯(ENB)、雙環(huán)戊二烯(DCPD)和1,4-己二烯等。ENB型EPDM較其他EPDM的硫化效率高，因此其應(yīng)用最廣泛[35]。

EPDM屬于聚烯烴，具有相對較低的密度，因此用于推進(jìn)劑包覆時可以大幅降低發(fā)動機的消極質(zhì)量。李強等[36]在EPDM中引入含磷阻燃劑制備得到柔性無鹵含磷EPDM，具有優(yōu)異的耐燒蝕性能和低特征信號特性，可用于推進(jìn)劑包覆和固體火箭絕熱層；路向輝等[37]發(fā)現(xiàn)在EPDM中添加適量的芳綸纖維和氫氧化鋁可以同時改善EPDM的力學(xué)性能和耐燒蝕性能。

南京理工大學(xué)開展了一系列EPDM的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的仿真研究工作。張中水[38]構(gòu)建了含熱解溫度項的超彈單元模型和含損傷項的黏彈單元模型，由二者并聯(lián)組成黏超彈本構(gòu)模型用于描述EPDM在不同熱解程度下的力學(xué)行為，為EPDM包覆層在固體火箭發(fā)動機工作過程中的應(yīng)力應(yīng)變傳遞提供了理論依據(jù)；余家泉等[39]同時采用實驗和模擬的方法研究了EPDM與改性雙基推進(jìn)劑的界面粘接性能。結(jié)果表明，模擬曲線與試驗曲線一致，表明所建內(nèi)聚力模型能夠反映界面力學(xué)特性。

EPDM基包覆層具有相對較低的密度，在飛行器減重方面有著非常大的應(yīng)用潛力。相比于PU和有機硅，EPDM低廉的成本和便捷的加工工藝也將使其越來越受到重視。提高耐燒蝕性能和其與推進(jìn)劑的粘接性能、降低特征信號是EPDM當(dāng)前的研究重點。

表1總結(jié)了上述5種高分子材料基包覆層材料的燒蝕和力學(xué)性能，可見從輕質(zhì)、耐燒蝕的角度來看，有機硅基和EPDM基材料應(yīng)是未來包覆材料的發(fā)展重點，但前者存在密度較高和拉伸強度偏低的問題，后者存在耐燒蝕性能難以得到進(jìn)一步提高的問題，因此今后應(yīng)致力于改善這方面的問題。UPR和EP為熱固性樹脂體系，強度優(yōu)于RTV和EPDM等體系，但燒蝕性能和延伸率較差，更適用于對燒蝕性能要求較低的雙基和改性雙基等推進(jìn)劑，主要起包覆限燃的作用，今后應(yīng)致力于其增韌和耐燒蝕改性研究。PU基包覆材料憑借其優(yōu)異的彈性性能、抗遷移性能和低特征信號的特點，在雙基和改性雙基推進(jìn)劑中將發(fā)揮更多作用，耐燒蝕改性應(yīng)是其主要的研究方向。

表1 幾種典型包覆材料的性能對比Table 1 Comparison of the performances of several typical coating materials

上述高分子材料的物理化學(xué)性質(zhì)是其作為基體應(yīng)用于包覆層材料的重要基礎(chǔ)，決定了包覆層的耐燒蝕性能、粘結(jié)性能、抗小分子遷移性能和力學(xué)特性。UPR、EP、PU、RTV和EPDM等高分子材料都有其自身的特點，適用于不同的發(fā)動機裝藥包覆需求，在應(yīng)用時均需要根據(jù)要求進(jìn)行改性，目前主要通過優(yōu)化有機無機助劑、粉狀填料和纖維的種類及配比來獲得最佳性能，這也是當(dāng)前較為方便和高效的改性方式之一。但從長遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)來看，針對高分子基體的改性，即改變高分子中分子鏈或鏈段的結(jié)構(gòu)，是進(jìn)一步提高包覆層綜合性能的根本途徑。

2 包覆工藝

2.1 注射包覆

注射包覆工藝是利用注塑機對固體推進(jìn)劑藥柱進(jìn)行包覆的技術(shù)[40]。與其他包覆工藝相比，注射包覆工藝具有流程短、效率高、包覆質(zhì)量高和生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，使其成為制造螺壓推進(jìn)劑裝藥包覆層的重要技術(shù)，尤其是應(yīng)用于制作壓制性戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機。前蘇聯(lián)和美國在二戰(zhàn)后先后開展注射包覆技術(shù)研究，并將該技術(shù)應(yīng)用于多種型號發(fā)動機的生產(chǎn)中[40]。

注射包覆工藝技術(shù)主要包括制備底涂層和注射包覆等步驟[41]：第一步是根據(jù)推進(jìn)劑特性研制包覆層材料和專用的底涂層材料；第二步是將螺壓推進(jìn)劑先注入模具中；第三步是將包覆層(熔體)注入模腔內(nèi)，待熔體冷卻凝固即完成包覆。

注射包覆的模具和工藝參數(shù)關(guān)系到固體推進(jìn)劑包覆過程的工藝安全性和包覆質(zhì)量，因此是該技術(shù)的關(guān)鍵之處。具體而言，影響推進(jìn)劑質(zhì)量和工藝安全性的主要因素有澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、藥柱定位系統(tǒng)和注射工藝參數(shù)。注射過程中要尤其注意控制注射速度和壓力，例如俄羅斯研究人員認(rèn)為包覆層體積與注射速率之比在0.5～1.5范圍可保證包覆層與推進(jìn)劑之間形成可靠粘接[40]。推進(jìn)劑的溫度達(dá)到“露點”～20℃范圍時，推進(jìn)劑藥柱的力學(xué)性能可滿足注射包覆工藝要求，工藝安全性得到保障。

注射包覆技術(shù)特別適用于黏度低、流變性好的材料。但是注射包覆時包覆層膠料會直接在藥柱表面固化，因此需要固化溫度較低的包覆層材料，尤其推薦能在室溫固化、無副產(chǎn)物生成的包覆材料[42]，例如部分可室溫固化的EP、PU和RTV等。

2.2 粘貼包覆

粘貼包覆技術(shù)是推進(jìn)劑包覆發(fā)展早期常用的成型工藝，尤其適用于貼壁澆注工藝。粘貼包覆技術(shù)包括配料、混煉、制片和貼片等步驟。主要步驟是根據(jù)發(fā)動機殼體或藥柱型面，將包覆層材料制成規(guī)整的片狀，采用專用的膠黏劑將這些包覆層片粘接于發(fā)動機內(nèi)壁面或藥柱外表面[43]。貼片后采用氣囊配合的情況下，加壓固化以使包覆層粘接于燃燒室殼體壁面或藥柱外表面，工藝流程圖見圖1。

從圖1可以看出，該工藝中包含了大量的手工操作過程，存在包覆質(zhì)量一致性無法保證和生產(chǎn)效率較低的問題，因此在實際使用中受到限制，一般不用于大批量裝藥生產(chǎn)。隨著固體火箭發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，該方法逐漸演化為部分固體火箭發(fā)動機殼體粘接式絕熱層的制備工藝[44]。

圖1 固體推進(jìn)劑粘貼包覆技術(shù)工藝流程Fig.1 Technical process of paste coating technique for solid propellant

2.3 纏繞包覆

纏繞包覆技術(shù)是在黏結(jié)劑的輔助下，通過自動化方式將帶狀、條狀的包覆層材料密布纏繞于藥柱表面，起到隔熱和限燃的作用。纏繞包覆技術(shù)需要較為復(fù)雜的設(shè)備和工藝，在發(fā)展早期國內(nèi)外均鮮有應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，基于芳綸纖維的纏繞包覆技術(shù)先后應(yīng)用于三叉戟(美)、M4(法)和SS-25(俄)等型號。20世紀(jì)80年代以來，美國開始致力于高裝填系數(shù)裝藥一體化包覆技術(shù)的研究，經(jīng)過多年發(fā)展，已基本形成了一體化包覆總體設(shè)計、一體化包覆自動化設(shè)備及工藝、一體化包覆質(zhì)量控制等技術(shù)體系[5]，先后成功用于飛馬座、德爾塔Ⅱ、三叉戟Ⅱ和侏儒導(dǎo)彈等型號[45]。

纖維纏繞包覆技術(shù)的工藝流程見圖2。從圖2可以看出，纖維纏繞包覆工藝的核心主要在于底涂層涂覆、纏繞和固化工藝(尤其是應(yīng)力釋放)優(yōu)化。

圖2 固體推進(jìn)劑纏繞包覆技術(shù)工藝流程Fig.2 Technical process of winding coating technique for solid propellant

纏繞包覆技術(shù)憑借其可機械化、連續(xù)化生產(chǎn)的優(yōu)勢，將成為批量制備中小型裝藥包覆層的重要手段。當(dāng)前的主要難點在于控制纖維分布的均勻性和纏繞制品的尺寸穩(wěn)定性。同時，進(jìn)一步提高纏繞層與推進(jìn)劑層的粘接性能、優(yōu)化纏繞層與推進(jìn)劑之間的熱膨脹系數(shù)匹配性也是重要的研究內(nèi)容。

除了注射、粘貼和纏繞包覆方法，噴涂、套管、輥壓和離心滾涂等方法也均已應(yīng)用于固體推進(jìn)劑包覆。在實際加工和包覆過程中，可以根據(jù)推進(jìn)劑藥柱的特性和UPR、EP、PU、RTV和EPDM等包覆材料的特性，選用合適的包覆工藝。

3 包覆層質(zhì)量檢測技術(shù)

在固體火箭發(fā)射失敗相關(guān)的事故中，由燃燒室包覆層缺陷引起的問題往往是首先被懷疑之處[46]。因此，包覆層的質(zhì)量檢測至關(guān)重要。包覆層缺陷主要包括表界面缺陷和內(nèi)部缺陷，前者主要指由殼體、包覆層、襯層和推進(jìn)劑等層結(jié)構(gòu)界面上由于粘接不良形成的脫粘或氣泡等缺陷；后者主要指成型或放置過程中形成于包覆層內(nèi)部的裂縫、空穴、鼓包和不均一等缺陷。由于固體火箭發(fā)動機自身的結(jié)構(gòu)特點和其應(yīng)用環(huán)境的特殊性，包覆層質(zhì)量檢測過程具有如下特點[47]：(1)檢測面積大但所需分辨率要求高；(2)要求鑒別出機械貼合與化學(xué)粘接的區(qū)別；(3)要求檢測出包覆層與襯層的厚度。影響包覆層界面粘接質(zhì)量和包覆層內(nèi)部質(zhì)量的主要因素包括：原料質(zhì)量穩(wěn)定性、含水量、溫度、濕度和施工工藝等，這些因素往往又形成綜合作用，為有效開展檢測工作帶來難度。

用于包覆層質(zhì)量檢測的主要技術(shù)包括直接檢測法和無損檢測法。相比而言，直接檢測法往往會破壞發(fā)動機結(jié)構(gòu)或磨損探頭，而且較難實現(xiàn)自動檢測。因此，目前主要采用無損檢測方法。理論上，由于界面缺陷或內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常引起的熱、聲、光、電和磁等變化均可以被用來診斷包覆層中的缺陷。但是受發(fā)動機自身的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用所限，目前常見的包覆層無損檢測方法主要有超聲、X射線、工業(yè)CT、聲發(fā)射、熱像/紅外和圖像掃描等技術(shù)[48]。其中國內(nèi)主要使用前3種技術(shù)。

3.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測是當(dāng)前檢測包覆層界面粘接質(zhì)量的最有效手段之一。該方法的主要原理是：在發(fā)動機殼體一側(cè)通過耦合超聲探頭向殼體內(nèi)部發(fā)射超聲波，基于殼體與包覆層界面反射波的大小和延遲判斷界面粘接情況。逐點掃描并對檢測信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換即可得到粘接界面的灰度圖像[49]。

中北大學(xué)和北京航空航天大學(xué)近年在包覆層的超聲及聲發(fā)射檢測方面開展了大量研究并取得了長足的進(jìn)展。劉林茂等[50]采用水浸式超聲聚焦探頭，通過斜入射檢測的方式檢測殼體與包覆層的界面粘接質(zhì)量。

表面經(jīng)過噴砂的發(fā)動機殼體內(nèi)表面較為粗糙，超聲波易在其表面上散射。楊風(fēng)暴[48]提出利用金字塔算法可以降低超聲所得圖像的噪聲；樊森等[52]采用單聚焦測試探頭反射回波法檢測發(fā)動機殼體與包覆層界面的粘接質(zhì)量，結(jié)果表明，通過該方法所統(tǒng)計的包覆層界面缺陷的位置、面積頗為準(zhǔn)確，其檢測分辨率達(dá)到Ф3mm。

超聲波檢測技術(shù)也可用于包覆層內(nèi)部缺陷檢測。韋江利等[51]采用維納解卷積法消除始波對回波時間延遲的影響，通過三次能量倒譜分析剩余信號，準(zhǔn)確地估出信號延遲時間，有效提高了包覆層厚度的測量精度。

3.2 圖像/視覺技術(shù)

高精度的圖像、視覺技術(shù)也是實現(xiàn)包覆層無損檢測的新興手段，尤其適用于包覆層表面缺陷檢測?；跈C器視覺技術(shù)的包覆層表界面缺陷檢測、監(jiān)測方法是非接觸的檢測方法，具有速度快、精度高和測量信息完整的優(yōu)點。圖像視覺技術(shù)的優(yōu)勢還在于可以自動、連續(xù)地進(jìn)行檢測，可滿足生產(chǎn)線上的實時監(jiān)測要求。

采用機器視覺技術(shù)可以對檢測指標(biāo)進(jìn)行定量描述，例如對包覆層和推進(jìn)劑表面的缺陷形態(tài)進(jìn)行鑒別、統(tǒng)計分析。陳國棟[53]用工業(yè)相機采集發(fā)動機包覆層表面的圖像，采用中值濾波和閾值分割技術(shù)將缺陷區(qū)域從圖像背景中提取出，借助種子填充法將提取出的缺陷圖像進(jìn)行數(shù)值描述，實現(xiàn)缺陷的軸向定位。結(jié)果表明，該技術(shù)可以用于自動定位、檢測包覆層表面缺陷。

郭慧平等[54]采用圖像模式匹配技術(shù)將缺陷從圖像背景中分割出來，實現(xiàn)包覆層表面缺陷的自動檢測；金永等[55]采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法研究包覆層表面的缺陷，通過頂帽-低帽變換法分析得到缺陷數(shù)據(jù)及位置信息，得到清晰的二值化圖像。采用高低閾值法分割缺陷圖像，再以中心半徑標(biāo)定的方式得到有效檢測區(qū)域并計算缺陷大小及位置，該方法的檢測分辨率可達(dá)到Ф0.5mm。

3.3 其他檢測技術(shù)

X射線、工業(yè)CT、紅外光譜、聲發(fā)射和激光等手段也被用于檢測包覆層質(zhì)量。張玉娟等[56]采用紅外光譜技術(shù)分析HTPB包覆層的內(nèi)部缺陷，采用紅外光譜結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法判定HTPB包覆層的半固化狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)固化溫度為20和60℃對應(yīng)的透過率比分別為1.42～1.54和2.32～2.41，該狀態(tài)可稱為半固化狀態(tài)；陳玉等[57]將激光應(yīng)用于包覆層厚度測量，通過將測量值與校正值相加實現(xiàn)同軸誤差分析的目的。結(jié)果表明，激光法可以較好地檢測固體火箭發(fā)動機殼體內(nèi)包覆層的厚度，并能給出較可靠的誤差范圍。

4 結(jié)束語

隨著固體火箭技術(shù)的飛速發(fā)展，推進(jìn)劑特性及裝藥結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，也對包覆層的設(shè)計和應(yīng)用提出了更高的要求。因此，目前迫切需要研究新型的、綜合性能優(yōu)異、普適性較強的包覆層材料。當(dāng)前，發(fā)動機包覆層研究的重點仍應(yīng)以提高耐燒蝕性能、降低特征信號、減輕無效載荷為主要發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上研制限燃能力可控、燒蝕性能可控的包覆層材料。關(guān)于今后固體推進(jìn)劑包覆技術(shù)的研究工作，提出如下建議：

(1)開發(fā)具有更優(yōu)異耐燒蝕性能、與高分子相容性良好的功能助劑和填料，加強填料/高分子基體界面作用機理研究，為新型包覆層材料研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

(2)配合發(fā)動機裝藥技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一體化包覆工藝技術(shù)，使包覆工藝更加高效、靈活且質(zhì)量可控，提高各尺寸發(fā)動機批產(chǎn)效率。

(3)應(yīng)用新型無損檢測技術(shù)，提高包覆層質(zhì)量控制技術(shù)，加強包覆層生產(chǎn)過程中的質(zhì)量在線檢測技術(shù)，從而為固體推進(jìn)劑包覆層的穩(wěn)定生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。