【技术干货】盘点美国国防部军事关键技术清单——碳纤维复合材料在火箭发动机外壳中应用
摘 要
在本公众号前期文章《盘点美国国防部军事关键技术清单——空间系统技术中的复合材料特性及材料需求》（阅读原文）中，介绍了在美国国防部（Department Of Denfense）发布的Militarily Critical Thechonogies List关于空间系统技术中，多项关键技术涉及到了碳陶复合材料、碳碳复合材料、碳纤维树脂基复合材料等 。
上述多项关键技术中仅仅对技术指标、材料体系进行了简述，但本文中涉及的火箭复合材料发动机外壳中，该军事技术清单对关键材料体系、发展历程等均进行了详细描述，如日本HII-Alaunch系统采用了东丽T1000碳纤维。除了基础材料以外，美国将火箭发动机壳体设计、加工及测试分析软件等关键技术均列入技术禁止出口清单中。
关键参数：所有复合材料电机外壳直径>0.61米（2英尺或24英寸）；结构效率PV/W>25公里（1x106英寸）；比强度>12x106英寸；比刚度>600x106英寸（参见下表1）。
关键材料：树脂对复合材料发动机壳体的改进至关重要。树脂的关键要素包括：改进的高温树脂；延长保质期的树脂。通常使用火箭发动机外壳的质量分数或PV / W以及材料的特定强度和刚度来进行外壳性能的比较或度量。
关键设备：生产4轴和5轴缠绕机，3、4和5自由度的编织机；大型缠绕和固化设备；专门为确保复合材料发动机外壳结构的健康而设计的声发射测量设备；此外，大型复合材料结构（如固体火箭发动机）的验证试验水平和速率在军事上是至关重要的，主要测试包括验证试验，爆破试验，以及爆破试验与材料强度/性能、安全系数和安全裕度的关系；高性能固体火箭发动机壳体可使用以下任何或所有部件：圆顶帽、圆顶加强件和圆片（环箍加强件）。
主要应用：高强度/刚度复合材料可用于许多商业应用中，如商业固体火箭发动机、商业运载火箭的储罐、军用和非军用飞机的飞整流罩和其他部件、体育用品、C＆G储罐和其他高性能储罐。
可承受性问题：高强度、高刚度的碳纤维由于其低成本而变得越来越容易获得，因此被广泛用于商业产品中。诸如M30S和T700之类的纤维用于制造多领域应用的相对便宜的高性能复合材料。尽管复合材料的使用，特别是利用碳纤维的复合材料在商业世界中得到了扩展，但在固体火箭发动机应用中的信息不应轻易获得。
02 碳纤维复合材料在发动机外壳中应用
当前最先进的大型固体火箭发动机（非战术性）几乎都是由复合材料制成，这主要包括了碳纤维增强环氧树脂复合材料。从20世纪60年代初的民兵第三级和北极星火箭发动机外壳开始，随后的几乎所有弹道导弹发动机外壳都由复合材料（纤维和环氧树脂）制成。
通常发动机外壳使用的材料具有高比强度（强度/重量）和高比刚度（模量/重量）。而用于火箭发动机外壳的纤维复合材料根据增强体不同，也经历了三代产品的发展：
第一代增强纤维以玻璃纤维为主，如S2型玻璃纤维；第二代增强纤维为Kevlar 49为代表的芳纶纤维，随后发展为强度较低的标准模量碳纤维（如Hexcel公司的AS4、东丽T300），目前发展到以美国Hexcel公司IM7和日本东丽T1000为代表第三代高强中模碳纤维。
与上述纤维配合使用的是玻璃化转变温度低于300°F的环氧树脂中。在过去的10年或更长时间里，用于火箭发动机外壳复合材料的增强纤维除了引入PBO和M5之外，在新纤维或推动现有碳纤维强度方面没有太大进展。
备注：上述军事技术清单制定时美国Hexcel公司IM10、日本东丽T1100尚未研发成功，通过表格1单位换算之后，日本东丽T1100碳纤维比强度、比刚度分别为15.7和727 inchx106。因此比强度与PBO纤维相当，比刚度要存在一定优势。
由于用于设计、加工和提高与固体火箭发动机复合材料壳体有关的材料强度在军事上被认为是至关重要的，因此除了简单增强纤维类型，更多关键参数均为保密内容。增强纤维强度对于高性能火箭发动机壳体是至关重要的。
在一些发达的国家（美国、欧洲和日本）的火箭发动机中，将复合材料壳体用于商用火箭发动机正变得越来越普遍。然而，关于如何设计、分析和制造大型复合材料固体火箭发动机壳体的技术（包括设计和分析工具）并不容易获得。这些信息由美国、欧洲和日本的几家大型制造公司密切掌握。日本（NASDA/Nissan）最近从ATK Thiokol购买了这项技术，为HII-Alaunch系统制造SRB-A，该发动机采用的材料系统为东丽T1000/TCR。
鉴于固体发动机特殊的军事战略意义，除材料体系以外，美国军事技术清单中提出涉及固体火箭发动机壳体的设计、分析和制造所需的设计方法、方程、数据库、工具（软件）和其他技术等也应进一步控制。这包括了用于设计和设计端口增强晶片和极性凸台或端口适配器的设计方法。
在固体火箭发动机外壳复合材料中，碳纤维通常与环氧树脂（重量百分比为25％至35％）结合使用组成复合材料。但是，通常使用的树脂必须存储在冷藏箱中。最近开发的树脂可以在室温环境温度下长时间保存。在大多数情况下，用于固体火箭发动机壳体的树脂的玻璃化转变温度Tg高于250°F。在某些情况下，树脂甚至可能具有比其固化温度更高的Tg。
纤维和树脂混合并以复合形式使用后，材料系统的信息对复合材料案例设计/分析人员具有重要价值。纤维供应商通常会发布纤维特性，并且数据随时可用。树脂通常也是如此。但是，当将两者结合并在大型固体火箭发动机壳体上加工成复合材料时，信息就变得更为关键。必须将已发布的数据减小到允许的值（纤维强度转换），并将其用作压力容器的破坏强度。
连接裙板（承受外部荷载并将其从有效载荷转移到压力容器圆筒壁）通常使用弹性剪切层。裙板通常通过弹性剪切层与压力容器分离，或采用其他方法连接。这种弹性材料和该界面的设计对于固体火箭发动机的性能至关重要。围绕该接口的一般信息是众所周知的，但该接口的具体设计和处理详细信息通常是保密的。
几乎全世界所有的固体火箭发动机案例都起源于军事项目。这种材料和技术首先是为军用或政府运载火箭开发的，然后过渡到商业领域。当今大多数高性能弹道导弹系统至少包含一些高性能复合材料，这项技术随后进入商业应用。
综上可知，根据美国军事技术清单，关于火箭发动机复合材料壳体除可获取简单的纤维（碳纤维为主）和树脂（环氧树脂为主）信息以外，有关火箭发动机复合材料壳体设计、加工及测试分析软件等关键技术均被列入严格禁止出口清单，因此也是严格保密的。