固體火箭發(fā)動機EPDM絕熱層產(chǎn)品一體化工作實踐

趙敏、李斌、呂曉、袁洪波 /湖北航天化學技術(shù)研究所

固體火箭發(fā)動機燃燒室工作時要承受3000K以上的高溫和3～20MPa 甚至更高的內(nèi)壓作用，隨著新型高能推進劑的使用和高比沖發(fā)動機的設(shè)計，溫度和壓力還將進一步提高。為了保證發(fā)動機的正常工作，在進行發(fā)動機設(shè)計時，除了考慮發(fā)動機綜合性能以外，還需考慮熱防護以防止燃燒室殼體被燃氣燒壞，或因過熱而降低殼體強度并危及結(jié)構(gòu)完整性，燃燒室的熱防護通常采用在殼體內(nèi)壁粘貼絕熱層的辦法解決。

絕熱層是一層位于固體火箭發(fā)動機殼體內(nèi)表面的非金屬隔熱防護材料，在固體火箭發(fā)動機內(nèi)的具體位置見圖1。其主要功能是通過自身不斷吸熱分解、燒蝕帶走大部分熱量以緩解高溫燃氣熱量向殼體的傳遞速度，避免殼體達到危及其結(jié)構(gòu)完整性的溫度，保證發(fā)動機的正常工作。此外，絕熱層還有緩沖應(yīng)力傳遞、限燃、密封等重要輔助作用。湖北航天化學技術(shù)研究所從事絕熱層研制工作已有40 年的歷史，研制的三元乙丙EPDM（ethylene propylene diene monomer）系列絕熱層已在多種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、宇航固體火箭發(fā)動機中得到成功應(yīng)用。

圖1 固體火箭發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)

在航天型號高密度發(fā)射、多型號并舉、質(zhì)量可靠性要求高的發(fā)展形勢下，中國航天科技集團有限公司提出了科研生產(chǎn)模式由單一的“以型號研制任務(wù)牽引”模式向主要基于“成熟產(chǎn)品選用”的系統(tǒng)集成研制模式轉(zhuǎn)變的發(fā)展戰(zhàn)略。研究所嚴格落實航天科技集團產(chǎn)品化發(fā)展戰(zhàn)略部署，為適應(yīng)航天發(fā)展高質(zhì)量、高效率、高效益的新形勢與新要求，提出了以絕熱層產(chǎn)品為試點，開展絕熱層型譜研究，統(tǒng)一規(guī)劃產(chǎn)品體系，壓縮產(chǎn)品種類，形成通用貨架產(chǎn)品的發(fā)展思路，對產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量管理、產(chǎn)品定型和應(yīng)用等過程進行優(yōu)化，以滿足小子樣研制條件下的產(chǎn)品高性能、高可靠、高質(zhì)量要求的綜合性工程技術(shù)與管理模式，通過產(chǎn)品化工作的開展，打造批量化重復(fù)穩(wěn)定生產(chǎn)的通用貨架產(chǎn)品。

一、EPDM絕熱層產(chǎn)品化工作

1.EPDM 絕熱層產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)梳理

固體火箭發(fā)動機絕熱層產(chǎn)品在充分考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟性、工藝性以及滿足基本需求的基礎(chǔ)上制定，根據(jù)發(fā)動機內(nèi)工作環(huán)境的不同，形成了通用型絕熱層、低密度絕熱層和抗過載及長時間燒蝕絕熱層三大系列化產(chǎn)品。研究所對絕熱層產(chǎn)品化工作進行了詳細策劃，對現(xiàn)有絕熱層牌號進行歸納整理，對應(yīng)用廣泛的EPDM 絕熱層技術(shù)狀態(tài)進行梳理，對絕熱層的密度、燒蝕率、抗拉強度、斷裂伸長率、凈斷裂強度、條件斷裂強度等主要性能進行統(tǒng)計分析，整理出技術(shù)指標要求、各牌號EPDM 絕熱層性能水平、應(yīng)用范圍，深入開展了EPDM 絕熱層型譜建設(shè)工作，進一步規(guī)范了產(chǎn)品型譜建設(shè)和管理。

目前在用的EPDM 絕熱層主要包含TI113、TI113A、TI117 等一系列產(chǎn)品，其中，TI113 絕熱層在多個戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)發(fā)動機中得到廣泛應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，產(chǎn)品成熟度不斷提升；TI117 絕熱層是在TI113 絕熱層基礎(chǔ)上研制的，充分繼承了TI113 絕熱層研制、應(yīng)用和可靠性研究成果，已在多個型號發(fā)動機中得到應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，各批次產(chǎn)品性能均滿足技術(shù)指標要求并通過了設(shè)計鑒定，為后續(xù)型號選用奠定了基礎(chǔ)；TI113A 絕熱層實現(xiàn)了關(guān)鍵原材料的國產(chǎn)化替代工作并已經(jīng)在型號發(fā)動機中進行了成功應(yīng)用；其他牌號的絕熱層也根據(jù)自身的性能特點在不同的發(fā)動機進行了多批次的應(yīng)用并取得了良好的效果。

2.EPDM 絕熱層使用過程中存在的問題

由于各型號使用要求及研制背景的差異，在具體使用時，發(fā)動機設(shè)計單位結(jié)合自身的工作特點對絕熱層的性能指標要求略有差異，分別針對絕熱層提出了不同的技術(shù)指標，但這種性能差異較小，如果針對每個發(fā)動機的技術(shù)指標分別進行研制，即增加了絕熱層材料研制單位的研制工作量和生產(chǎn)控制難度，又增加了絕熱層產(chǎn)品種類和絕熱層牌號，形成多品種小批量的不利發(fā)展趨勢，同時為產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)帶來了很大阻力，性能控制也存在管理隱患。

3.EPDM 絕熱層指標差異問題解決措施

針對EPDM 絕熱層的指標差異問題，研究所為進一步規(guī)范型號原材料選用控制流程，避免個體差異帶來的產(chǎn)品質(zhì)量控制風險，綜合各型號的使用、驗證情況，與固體火箭發(fā)動機設(shè)計單位西安航天動力技術(shù)研究所共同制定了《EPDM 絕熱層產(chǎn)品化協(xié)同推進協(xié)議》，聯(lián)合開展EPDM 絕熱層產(chǎn)品型譜建設(shè)，共同針對絕熱層在各型號使用過程中技術(shù)指標差異進行了分析，梳理出存在的問題，進一步統(tǒng)一各型號的技術(shù)指標和使用范圍，規(guī)范了產(chǎn)品型譜的建設(shè)和管理，提高了該系列產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中的標準化水平。

在EPDM 絕熱層材料研發(fā)、生產(chǎn)過程中，按照絕熱層研制程序開展各階段研究工作，以型號需求為牽引，依托型號研制實現(xiàn)絕熱層材料應(yīng)用考核驗證，實現(xiàn)既依托型號研制又不依賴型號研制的目標，以達到通用化、系列化和標準化。在絕熱層的研制生產(chǎn)過程管理、絕熱層數(shù)據(jù)包管理、質(zhì)量和驗收管理等方面均以絕熱層產(chǎn)品規(guī)范、工藝文件和質(zhì)量保證大綱為依據(jù)，逐步脫離各型號要求的差異性，實現(xiàn)去型號化組批生產(chǎn)。在型號選用絕熱層品種時，根據(jù)型號研制需求在絕熱層型譜中選擇合適牌號即可。

目前絕熱層型譜已納入航天動力技術(shù)研究院零部件級重點產(chǎn)品型譜簡表中，形成了產(chǎn)品規(guī)范，顯著提升生產(chǎn)能力和質(zhì)量穩(wěn)定性，形成產(chǎn)品資源，提高市場競爭力，促進發(fā)動機型號研制時對EPDM絕熱層型譜產(chǎn)品的選用。

二、絕熱層型譜建設(shè)方案

1.絕熱層產(chǎn)品型譜化研究

（1）產(chǎn)品化實施層面的共用技術(shù)

絕熱層的產(chǎn)品化在不同層面有著不同的工作內(nèi)容和實施特點，按照原材料、配方組成和測試試驗技術(shù)3 個層面分級實施。產(chǎn)品化各層面的信息流程如圖2 所示。

圖2 產(chǎn)品化各層面的信息流程圖

原材料的共用技術(shù)。根據(jù)絕熱層的特點對原材料進行分類，形成絕熱層通用原材料庫，制定所有原材料的驗收指標、驗收標準和檢驗方法，形成常用原材料的性能型譜，在配方設(shè)計時依照技術(shù)方案和技術(shù)指標要求選擇不同種類、不同規(guī)格的原材料。

配方調(diào)節(jié)的共用技術(shù)。根據(jù)任務(wù)書中對絕熱層提出的一般技術(shù)指標要求進行分類，配方調(diào)節(jié)的共用技術(shù)可分為密度調(diào)節(jié)技術(shù)、力學性能調(diào)節(jié)技術(shù)和燒蝕性能調(diào)節(jié)技術(shù)3 個方面。根據(jù)研究結(jié)果，分別形成絕熱層的密度、力學性能和燒蝕性能的共用調(diào)節(jié)技術(shù)，在配方設(shè)計時根據(jù)產(chǎn)品指標要求進行調(diào)節(jié)和試驗。

測試試驗共用技術(shù)。測試試驗技術(shù)是絕熱層系列產(chǎn)品性能測試時必須優(yōu)先采用的共用技術(shù)，根據(jù)任務(wù)書中對絕熱層提出的測試項目進行分類，測試試驗共用技術(shù)可分為密度、力學性能、抗圓周裂紋性能和燒蝕性能測試試驗技術(shù)4 個方面。分別形成密度、力學性能、抗圓周裂紋性能和燒蝕性能試驗的測試標準和試驗方法，在性能測試時按相關(guān)要求進行，以確保絕熱層性能測試的規(guī)范性和有效性。

（2）產(chǎn)品性能調(diào)節(jié)技術(shù)研究

按照絕熱層性能一般要求，絕熱層產(chǎn)品性能調(diào)節(jié)技術(shù)一般包括密度調(diào)節(jié)技術(shù)、力學性能調(diào)節(jié)技術(shù)和燒蝕性能調(diào)節(jié)技術(shù)，此外，用于大型戰(zhàn)略發(fā)動機的絕熱層還要求抗圓周裂紋性能。

密度調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)絕熱層密度的原材料種類及調(diào)控方法，密度的調(diào)節(jié)范圍為0.93～1.30g/cm。

力學性能調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)絕熱層的力學性能的原材料種類及調(diào)控方法，力學性能的調(diào)節(jié)范圍為4～11MPa。

燒蝕性能調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)通用絕熱層燒蝕性能的原材料種類及調(diào)控方法，線燒蝕率的調(diào)節(jié)范圍為0.05～0.15mm/s。

確定調(diào)節(jié)抗過載耐燒蝕型絕熱層燒蝕性能的原材料種類及調(diào)控方法，線燒蝕率的調(diào)節(jié)范圍為0.02～0.05mm/s。

抗圓周裂紋擴展性能調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)通用型絕熱層抗圓周裂紋擴展性能的原材料種類及調(diào)控方法，抗圓周裂紋擴展性能的調(diào)節(jié)范圍為2.0～2.5MPa。

（3）絕熱層設(shè)計指標統(tǒng)計分析及歸類

絕熱層研發(fā)人員將目前絕熱層技術(shù)狀態(tài)梳理情況反饋給固體發(fā)動機設(shè)計人員后，設(shè)計人員針對廣泛應(yīng)用于多個戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、宇航型號等固體發(fā)動機的多種絕熱層存在的問題，根據(jù)絕熱層產(chǎn)品化工作要求，對各型號絕熱層設(shè)計指標體系進行了梳理統(tǒng)計，各型號對絕熱層提出的指標分為以下幾類：

1） 共 性技術(shù)指標：包括本體力學性能（4 項）、燒蝕性能（1 項）、物理性能（1項）、貯存性能（1 項）等共7 項 指 標，界面粘接5 項指標。

2） 一 次性測試技術(shù)指標：力學性能（4 項）、物理性能（5 項）、固化性能（1 項）等共10 項指標。

3）個性技術(shù)指標：燒蝕性能（熱化學燒蝕性能、克里聚集條件下燒蝕性能）共2 項指標。

2016年10月，采用整群抽樣法選擇江蘇省南京市1所三級甲等醫(yī)院150名精神科臨床護士作為研究對象。納入標準：①日常工作中和病人直接接觸的精神科在職護士；②從事精神科護理工作1年以上；③無精神異常史和現(xiàn)病史；④知情同意。排除標準：調(diào)查期間非在崗護士，包括產(chǎn)假、病假、事假、休年假及學習、出差者。

4）新增技術(shù)指標：為進一步提升燃燒室可靠性，目前針對絕熱層提出了凝膠分數(shù)的技術(shù)指標要求，一般要求是批次測試，部分型號要求每一臺均測試。

（4）絕熱層型譜研究取得的成果

根據(jù)以上共用技術(shù)、性能調(diào)節(jié)技術(shù)研究結(jié)果、絕熱層設(shè)計指標統(tǒng)計分析后確定了指標體系，針對應(yīng)用最廣泛的TI113 絕熱層，對近10 年以來交付使用多個批次的性能進行了統(tǒng)計和包絡(luò)線分析，根據(jù)型號對絕熱層性能要求梳理結(jié)果和絕熱層性能統(tǒng)計分析結(jié)果，結(jié)合絕熱層院標準規(guī)定和發(fā)動機實際使用情況，優(yōu)化了型號應(yīng)用絕熱層推薦指標要求和界面粘接技術(shù)指標，修改完善了院標準《TI113 絕熱層材料規(guī)范》，需要使用TI113 絕熱層的各型號技術(shù)指標全部統(tǒng)一到材料規(guī)范中，實現(xiàn)了絕熱層研制生產(chǎn)去型號化、通用化的使用效果。

2.絕熱層型譜編制

（1）型譜特征參數(shù)確定

根據(jù)固體火箭發(fā)動機對絕熱層的性能要求以及絕熱層主要功能和性能，將基材種類、燒蝕率等級、成型工藝、特征代號等參數(shù)確定為絕熱層型譜特征參數(shù)。

（2）產(chǎn)品型譜規(guī)格分析及優(yōu)化

基 材 劃分：按照絕熱的基材類型分為NBR 型（丁腈橡膠）、EPDM 型（三元乙丙橡膠）、RE 型（酚醛樹脂）；

燒蝕率劃分：按照氧乙炔燒蝕率大小可分為：≤0.05mm/s（超低燒蝕率）、≤0.08mm/s（極低燒蝕率)、≤0.10mm/s（較低燒蝕率）、≤0.12mm/s（低燒蝕率)、≤0.15mm/s（常規(guī)燒蝕率)、≤0.20mm/s（可接受燒蝕率）6 類；

成型工藝劃分：按照絕熱成型工藝過程分為手工貼片（ST）、模壓成型（MY）；

特征代碼劃分：根據(jù)絕熱的研制序號及改進序號對絕熱層產(chǎn)品進行區(qū)分。

絕熱層主要以產(chǎn)品基材類型作為型譜規(guī)格劃分的依據(jù)，在同一基材類型系列下，依據(jù)絕熱層燒蝕率大小進行劃分，對于燒蝕率相同或相近進行優(yōu)化合并，做到產(chǎn)品型譜相互之間不重復(fù)，不同規(guī)格產(chǎn)品之間有明顯的差異。

（3）產(chǎn)品樹構(gòu)建、型譜確定

根據(jù)確定的絕熱層產(chǎn)品型譜參數(shù)，構(gòu)建的絕熱層產(chǎn)品樹具體如圖3 所示，共分為三大類，共14項產(chǎn)品。

絕熱層代號依據(jù)“宇航產(chǎn)品型譜編制指南”進行，絕熱層型譜代號格式要求具體如圖4 所示。絕熱層型譜代號中前面兩位與后面四位組合即為現(xiàn)用絕熱層代號。

圖4 絕熱層型譜代號組成

圖3 絕熱層產(chǎn)品型譜樹

三、EPDM絕熱層產(chǎn)品一體化工作實踐效果

研究所通過固體火箭發(fā)動機設(shè)計、絕熱層研發(fā)與生產(chǎn)一體化工作，推進了絕熱層產(chǎn)品化工作，將航天科技集團的“高質(zhì)量保證成功、高效率完成任務(wù)、高效益推動航天強國和國防建設(shè)”的發(fā)展理念貫徹落到實處。在絕熱層研發(fā)、生產(chǎn)過程中持續(xù)開展統(tǒng)計分析工作，針對絕熱層設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及時提出解決措施，迭代持續(xù)改進，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。取得的效果主要有：

一是通過對絕熱層技術(shù)狀態(tài)的梳理和型號技術(shù)要求的統(tǒng)計分析，結(jié)合絕熱層性能統(tǒng)計分析，完善了TI113 絕熱層產(chǎn)品規(guī)范并形成了院級標準，促進了絕熱層產(chǎn)品化規(guī)范化，為型號選用提供了依據(jù)；

二是明確了型號選用相同絕熱層時的技術(shù)指標要求，直接采用院級標準TI113 絕熱層規(guī)范，避免不同型號采用相同絕熱層出現(xiàn)指標要求不一致甚至指標不完全的情況，實現(xiàn)了產(chǎn)品去型號化的目的；

三是通過研究編制并完善了絕熱層產(chǎn)品型譜，形成EPDM 絕熱層貨架產(chǎn)品資源，將性能相近的EPDM 絕熱層產(chǎn)品種類壓縮了三分之一，將應(yīng)用最廣泛的EPDM 絕熱層集中到3～5 種，促進了在發(fā)動機研制時對絕熱層型譜產(chǎn)品的選用；

四是通過EPDM 絕熱層產(chǎn)品化工作，極大地促進了產(chǎn)品大批量成組生產(chǎn)，消除了多品種小批量生產(chǎn)的不利局面，產(chǎn)品質(zhì)量和成熟度穩(wěn)定提升，產(chǎn)品生產(chǎn)效率提升了100%～150%，批次檢驗頻率降低了5～8 倍。