固體火箭發(fā)動機防熱涂層產品型譜構建與選型

羅江鳳、魚穎、張光春、張利軍、郭飛鴿 /西安航天化學動力有限公司

外防熱涂層是固體火箭發(fā)動機研制的關鍵材料，其性能與可靠性是新型航天裝備發(fā)動機先進性與可靠性的決定因素之一。隨著高性能武器裝備飛行速度的提高，飛行器殼體外表面氣動加熱問題愈加嚴重，由于固體發(fā)動機殼體一般采用薄壁高強鋼或纖維復合材料等制成，當環(huán)境溫度超過殼體材料本身的使用溫度時，殼體的承載性能急劇下降，可直接導致飛行失敗。所以，高性能武器裝備發(fā)動機殼體外表面需涂覆外防熱涂層材料來保護發(fā)動機殼體。

目前，高性能武器型號發(fā)動機大多采用涂層進行熱防護，涂層防熱法具有成本低、工藝簡單、消極質量小、熱防護效率較高等特點，廣泛應用于飛行Ma3 ～9的飛行器氣動熱防護。涂層防熱是燒蝕型防熱的一種，防熱效果從本質上受制于材料的熱解過程。由于高速氣流對涂層和結構產生的氣動熱燒蝕，不但與材料的本身性能有關，也與特定氣動環(huán)境有關的物理和化學綜合效應相關。因此，只有材料和氣動熱環(huán)境合理配合，使其在此環(huán)境下發(fā)生理想的反應，吸收或帶走熱量，才能設計出有效的防熱涂層材料。

筆者分析了涂層產品需求特點，并基于西安航天化學動力有限公司研制的系列防熱涂層的配方特點、性能水平、主要功能以及應用經(jīng)驗，對外防熱涂層產品進行了型譜構建，從而有利于選型統(tǒng)型。

一、涂層產品需求分析

外防護涂層是發(fā)動機消極質量的一部分，這就決定了外防熱涂層的發(fā)展趨勢必然是追求更低的密度和更好的燒蝕性能，同時具有優(yōu)異的綜合性能，有的背景型號發(fā)動機還要求外防護涂層具有耐燒蝕、電磁屏蔽、吸波透波、抗激光等功能。防熱材料基體主要有硅樹脂、硅橡膠、環(huán)氧改性聚氨酯樹脂、環(huán)氧樹脂、氯磺化聚乙烯等，填料主要包括酚醛微球、二氧化硅、玻璃空心微球等，一般都具有較低的密度以及較高的防熱效率。

隨著新一代高性能武器裝備發(fā)動機飛行速度、機動性的不斷提高，發(fā)動機殼體承受的溫度和載荷將不斷提高。而且隨著航天裝備射程的增加，發(fā)動機工作時間將會不斷增加，熱氣流溫度不斷升高，熱沖刷將變得更為劇烈。為了保證發(fā)動機正常工作，在進行發(fā)動機設計時，對固體火箭發(fā)動機外防熱材料提出了更高的技術要求。

在設計指標方面，對外防熱涂層主要提出了密度、力學性能、粘接性能、防熱性能、熱物理性能及老化性能要求。新一代高性能航天裝備發(fā)動機的飛行環(huán)境具有長時間、高熱流的特點，所以要求外防熱涂層具有良好的隔熱抗沖刷能力，也就是較低的密度和良好的成炭性能。

二、涂層產品現(xiàn)狀

公司自主研發(fā)了包括TI552系列、TI554 系列等硅基，TI588、TI591 等聚氨酯環(huán)氧基，共計10 余個品種的外防熱涂層材料及配套材料。TI 系列外防熱涂層材料密度靈活可調（0.45 g/cm～ 1.35 g/cm），力學性能（拉伸強度≥1.50MPa）優(yōu)異，適應鋼、復合殼體、鋁、鈦合金等不同殼體基材的粘接，且性能可靠，可以滿足不同熱流工況對于高效隔熱、耐燒蝕抗沖刷防熱性能的需求，并且抗老化性能良好（加速老化＞17a）。

基于密度、耐燒蝕性能以及應用工況差異，將外防熱涂層材料分為高效隔熱型、耐燒蝕抗沖刷型、抗激光及其他功能型3種類型。高效隔熱型包括TI554系列涂層，耐燒蝕抗沖刷型包括TI552 系列、TI557、TI559 涂層，抗激光及其他功能型包括TI551A、TI556、TI588、TI591、TI594 等涂層。

三、涂層產品型譜的構建

1.確定型譜特征參數(shù)

根據(jù)固體火箭發(fā)動機對防熱涂層的性能要求以及防熱涂層的主要功能和性能，將以下參數(shù)確定為外防熱涂層型譜特征參數(shù)。

（1）基材種類：可以顯著區(qū)別不同的防熱涂層所用基材。

（2）密度大?。焊鶕?jù)防熱涂層產品的密度大小進行區(qū)分。

（3）涂層功能：根據(jù)防熱涂層的涂層功能進行劃分。

（4）特征代號：根據(jù)防熱涂層的研制序號及改進序號制定相應的特征代號。

2.分析產品型譜規(guī)格

根據(jù)發(fā)動機對防熱涂層的需求和分析確定的產品型譜特征，按照防熱涂層產品基體種類、密度大小、防熱涂層成型工藝及特殊性能等進行規(guī)格劃分。

（1）基體種類劃分：按照防熱涂層的基體樹脂類型分為U 型（聚氨酯）、S 型（硅橡膠）、E 型（環(huán)氧）。

（2） 密度大小劃分： 按照防熱涂層密度大小可分為

ρ

≤0.65g/cm（超低密度）、0.65g/cm＜

ρ

≤0.8g/cm（低密度）、0.8g/cm＜

ρ

≤1.0g/cm（常規(guī)密度）、1.0g/cm＜

ρ

≤1.35g/cm（可接受密度）。

（3）特征代號劃分：根據(jù)防熱涂層的研制序號及改進序號對防熱涂層產品進行區(qū)分。

主要以產品基材類型作為防熱涂層型譜規(guī)格劃分的依據(jù)，在同一基材類型系列下，依據(jù)防熱涂層密度大小進行劃分，對于密度大小相同或相近的產品進行優(yōu)化合并，做到產品型譜不重復，不同規(guī)格產品之間有明顯的差異。

3.產品樹構建

根據(jù)確定的防熱涂層產品型譜參數(shù)，構建防熱涂層產品樹，如圖1 所示。

圖1 防熱涂層產品型譜樹

4.產品名稱和代號編制說明

嚴格依據(jù)《宇航產品型譜編制指南》進行涂層代號編制，具體代號組成如圖2 所示。

圖2 防熱涂層型譜代號組成

涂層型譜代號采用以下格式：

（1）第1 ～2 位：TI-涂層；

（2）第3 位：分隔符；

（3）第4 位：基材類型，其中，U-聚氨酯、S-硅橡膠、E-環(huán)氧；

（4）第5 位：分隔符；

（5）第6 ～9 位：密度等級，其中，0.65-較低、0.08-低、1.0-常規(guī)、1.20-可接受，單位為g/cm；

（6）第10 位：分隔符；

（7）第11 ～12 位：成型工藝，PT-噴涂、ST-刷涂；

（8）第13 位：分隔符；

（9）第14 ～16 位：涂層設計序號，101、102……；

（10）第17 位：分隔符；

（11）第18位：涂層改進序號，A、B、C。

示例說明：如TI-S-0.88-PT-552-B 表示密度≤0.88g/cm，可進行噴涂的設計序號為552 的第2 次改進的硅橡膠類涂層。

5.產品型譜表

公司研發(fā)的外防熱涂層型譜見表1。

表1 外防熱涂層型譜表

從表1 可以看出，從型譜代號可以迅速判斷涂層基體種類、密度大小、防熱涂層成型工藝，通過涂層型譜構建，加快了涂層選型及發(fā)動機設計進度，提升了型號研制能力。

四、型譜化工作應用效果

對于熱流密度不大、隔熱要求高的環(huán)境，可選用高效隔熱型TI554 系列涂層，TI554 系列涂層囊括不同涂層密度段，更有利于針對型號技術要求快速選型，區(qū)別于以往隨發(fā)動機型號而新研制涂層的模式。

對于防熱、抗沖刷要求高的熱流環(huán)境，可選用耐燒蝕抗沖刷型涂層，其中TI552B 涂層已應用于多種型號發(fā)動機，其密度不高，并且已形成院級標準，可直接選用，更有利于加快研制進度。對涂層材料還有更低密度要求的情況，可選用TI557、TI559 涂層。耐燒蝕抗沖刷型涂層的研制有一定難度，目前耐燒蝕抗沖刷型涂層材料可覆蓋中高熱流密度工況，因此非常有利于高性能發(fā)動機對涂層材料快速選用，研制進度提升明顯。

對于兵器及其他非航天系統(tǒng)單位，基于應用工況以及成本控制，可選用TI594 低成本涂層、TI588、TI591 聚氨酯涂層。

公司通過外防熱涂層產品化工作，極大地促進了產品大批量成組生產，消除了以往多品種、小批量、多批次生產及檢驗的不利局面，產品質量和成熟度穩(wěn)定提升，產品生產效率提升了200%。外防熱涂層的產品化工作及思路可有效用于新型材料的開發(fā)，加速開發(fā)進程，明確開發(fā)方向，起到示范引領作用。針對研制的系列防熱涂層配方特點、性能水平、主要功能以及應用經(jīng)驗，將涂層分為高效隔熱型、耐燒蝕抗沖刷型、抗激光及其他阻燃防熱涂層類型，并對外防熱涂層產品進行了型譜構建，更有利于快速選型，加速發(fā)動機研究進程。