摘 要

以CZ-5、CZ-7為代表的我國新一代低溫液體運載火箭，對箭體結構防水、防結冰功能提出了更高要求。通過介紹超疏水現象的原理及應用背景，簡述我國運載火箭箭體結構防水、防結冰設計現狀，并通過試 驗研究超疏水涂層對于運載火箭結構的防水、防結冰應用效果及環境適應性，驗證了涂層對箭體表面小 縫隙具有良好的防水效果，對結冰情況有一定的改善，為研制輕質、高效、多功能的運載火箭箭體結構 提出了新的思路。

關鍵詞  箭體結構，防水，防結冰，超疏水涂層

1.引言 

運載火箭遇水受潮，可能引起電路短路漏電，致使電氣系統工作異常，如處理不當，可能導致發射 任務無法正常執行，甚至影響成敗。我國長征系列運載火箭，箭體結構大多不具備防水功能，或僅靠在 主要縫隙處粘貼透明膠帶，應對發射前數十分鐘內可能遇到的短時間雨雪天氣。以 CZ-5、CZ-7 為代表 的新一代運載火箭，采用液氫、液氧等低溫液體推進劑，帶來環保、無毒無污染好處的同時，也對箭體 結構自身的防水、防結冰能力提出了更高要求。低溫推進劑使得箭體表面大部分區域溫度很低，加注推進劑時，空氣中的水分遇到溫度較低的箭 體，極易凝結成小水珠附著在箭體表面，并在重力作用下向下流淌，并從縫隙滲透進入火箭內部。新 一代運載火箭主要在海南文昌發射場執行發射任務，發射場環境高溫、多雨、潮濕，即使天氣晴朗， 從推進劑加注至發射的數十小時期間，箭體表面均存在大量的冷凝水流淌，貯箱附近無絕熱層保護的 區域，更是完全被冰層覆蓋。因此，對于新一代運載火箭，箭體結構的防水處理是發射前的一項重要 工作。箭體表面存在諸如鉚接、螺接、蒙皮搭接等大量的不可見縫隙，也包括操作艙口蓋、分離對接面等 一些較大縫隙，當前主要采取措施是用硅橡膠、密封條對縫隙進行封堵。該工作非常繁重，使得火箭在 生產和發射階段操作復雜化，而且增加了火箭重量。據統計，單發火箭防水使用的硅橡膠，總重量可達 100 kg 以上，與一個 Φ2米級艙段結構的重量相當。本文嘗試利用超疏水現象，用“以疏代堵”的理念，在箭體表面噴涂超疏水材料，基于運載火箭實 際使用環境進行防水、防結冰試驗，探究將超疏水材料應用于箭體結構防水性能提升的可行性，為簡化 火箭發射任務中的箭體結構防水操作、減輕結構重量、提升運載能力提出一種新途徑。 

2. 超疏水材料及其應用現狀

2.1. 超疏水現象形成的原理 

人們最早對超疏水現象的認識是從荷葉開始的，荷葉具有的超疏水性表現在雨后的荷葉表面顯得非常的清新和潔凈，即著名的“荷葉效應”[1]。通過 Barthlott W.和 Neinhuis C.對荷葉表面微結構的觀察， 發現荷葉表面具有非常復雜的多重納米和微米級結構，這種結構使得荷葉具有了非凡的超疏水性能和自 潔性能，揭開了表面自清潔現象的內在理論[2]。這種水滴在其表面呈球形，具有憎水性質的材料稱之為 疏水材料。圖 1 為水在物體表面的接觸角。一般來說，水滴在物體表面的接觸角 θc 小于 90°稱為親水材 料，大于 90°叫疏水材料，大于 150°叫超疏水材料。水滴在荷葉表面的接觸角高達 164°。

圖 1. 水在物體表面的接觸角

通過研究，人們發現具有超疏水性能的材料有兩個共同的屬性：

1） 材料表面有排列有序的微米級凸出顆粒，其上還有更細小的納米級顆粒；

2） 材料表面有低表面能的生物蠟。

水滴在表面張力作用下，會形成一個球。微納結構的表面形成一個個微納米級別的小氣室；水珠一 般為毫米級別，無法進入氣室，于是形成一種水珠在材料表面不進入的狀態。生物蠟是一種低表面能、 疏水的物質，它加強了微納結構的疏水效果。這就是超疏水材料的疏水原理。

2.2. 超疏水材料的應用現狀

 超疏水材料主要利用其自清潔、耐玷污等生物仿生方面的特性進行開發和應用，在諸如軍工、農業 微流體毛細自灌溉、管道無損運輸、房屋建筑以及各種露天環境下工作的設備的防水和防冰等方面有廣 闊的前景。

1） 防結冰。由于水滴在超疏水表面很難停留，且接觸角很大，水滴與表面接觸面積較小，熱傳遞效 率低，因此超疏水表面具有較好的抗結冰性能。楊軍等[3]對超疏水表面技術在發動機防冰部件中的應用 進行了研究，認為該技術不僅可以實現防冰，超疏水表面的納米結構還能通過其自清潔功能減緩腐蝕， 從而提高發動機的可靠性和使用壽命。

2） 防污、防腐蝕。利用超疏水材料獨特的疏水性，研制無色透明、無毒、無污染的涂料，將其作為 防護液噴涂在建筑物內外墻、玻璃、鞋子、衣物等表面，水滴移動更容易，表面的自清潔能力增強，不 易氧化、腐蝕[4]。張德建等[5]通過在鋁表面制備具有微、納米結構的粗糙薄膜，實現了 150°海水接觸角， 并通過試驗驗證了超疏水的表面相比普通鋁材能達到 99.990%的緩蝕率，能有效材料的提高抗海水腐蝕 性能。

3） 減阻。在管道內壁、船舶外壁等表面制備超疏水薄膜，不僅可提高防腐能力，更能有效減小管 道氣體、液體運輸以及船舶行進阻力，對降低運輸能耗、提高輸送效率有很大幫助。有試驗表明，在 鋁合金平板表面涂覆一種低表面能的涂層，可減小阻力 18%~30% [6]，這實際上就是超疏水材料的減 阻效果。

趙坤等[7]通過試驗，驗證了經過超疏水材料涂覆的鋁合金基體，表面具有良好的超疏水性能，而運 載火箭箭體結構的主要材料正是鋁合金。

3. 我國運載火箭箭體結構防水、防結冰設計現狀

根據結構形式及功能的不同，運載火箭箭體大結構主要分為貯箱和殼段。我國現役液體運載火箭， 殼段大多為組合式結構，每個殼段由數百種零組件通過鉚接、螺接等機械連接方式裝配而成，因此，在 零組件搭接、對接處，以及鉚釘、螺栓附近，存在很多細小的縫隙。同時，根據實際需求，殼段和貯箱 短殼側壁上設置有大小不一的各種開口，開口處一般用蓋板或小罩子封堵，用于防塵和防風，蓋板或小 罩子的邊緣與殼段裝配處，以及用于裝配的螺栓、快速鎖等連接件附近，均會存在不同程度的縫隙。此 外，不同殼段之間、殼段與貯箱之間的對接面，以及級間分離、整流罩分離面處的結構，均存在縫隙。以上大小不等的縫隙，廣泛分布在箭體結構表面，均存在滲漏水的風險。

針對這些縫隙，我國新一代低溫運載火箭，主要采取了封堵的方式進行防水處理。對于鉚釘孔、抗 剪螺栓孔等極小縫隙，除火箭原有表面噴漆外，不采取專門防水措施；對于搭接縫、對接縫等較小縫隙， 采取在縫隙邊緣涂抹防水膠的措施；對于艙口蓋等較大縫隙處，采取粘貼防水密封條和涂防水膠結合的 方式，并選用防水鎖等專用連接件。由于箭體結構表面縫隙數量、種類繁多，這些用于應對防水問題的 措施，延長了結構生產周期，尤其是一些有特殊功能的結構，需要在臨近發射時進行防水處理，使原本 就很緊張的射前工作更加繁雜，而且容易出現疏漏。

對于箭體結構的防結冰，目前未采取專門應對措施，如出現影響火箭發射任務的結冰問題，主要靠 手動鏟除的方式處理。

簡言之，我國運載火箭箭體結構防水、防結冰設計現狀詳見表 1。

4. 超疏水涂層箭體結構防水、防結冰試驗

4.1. 超疏水試片淋水、結冰試驗

 為驗證某種具有超疏水特性的涂層材料對金屬表面疏水性能的影響，選用航天運載器結構常用的 1.2 mm 厚 2A12 鋁合金板，進行噴水和結冰測試。試片表面分別為以下三種狀態：不噴超疏水涂層、不打磨 噴超疏水涂層、打磨后噴超疏水涂層。打磨時，采用 150 目的普通水磨砂紙手工打磨試片表面，打磨至 有明顯粗糙感；噴涂的超疏水涂層選用市購 Ultra-Ever Dry （超級干）雙組份液體噴涂材料，按產品說明使 涂層能完整覆蓋試片表面。

4.1.1. 試片淋水試驗

 1） 未噴涂超疏水涂層的鋁合金試片淋水試驗

如圖 2 所示，試片水平狀態下，水接觸試片表面后，接觸角明顯小于 90°；試片傾斜時，水滴不下落， 或緩慢下落，試片上流下明顯水漬，試片呈親水性。

2） 不打磨表面，直接噴涂超疏水涂層的鋁合金試片淋水試驗

如圖 3 所示，試片水平狀態下，水接觸試片表面后，接觸角略大于 90°；試片傾斜時，水滴下落，試 片上流下輕微水漬，試片具有一定的疏水性。

圖 2. 未噴涂試片表現出親水性

圖 3. 未經打磨直接噴涂超疏水涂層的鋁合金試片

3） 打磨表面后，噴涂超疏水涂層的鋁合金試片淋水試驗

如圖 4 所示，試片水平狀態下，水接觸試片表面后，接觸角明顯大于 90°；試片傾斜時，水滴迅速， 試片上基本不留水漬，試片具有非常強的疏水性。

圖 4. 打磨后噴涂超疏水材料的鋁合金試片

將 3）中的試片在室內放置數天后，再進行噴水試驗，超疏水性能基本保持不變；用手指來回擦拭試 片表面半分鐘，疏水性能依然較好，結果如圖 5 所示。

圖 5. 手頻繁觸摸試片疏水性能依然較好

4.1.2. 試片結冰試驗

準備未噴涂超疏水涂層和經打磨并噴涂超疏水涂層的鋁合金試片，表面噴水后，放置在-5℃環境中， 20 分鐘后觀察結冰情況，如圖 6 所示。可以看出，外側兩件為未噴超疏水涂層試片，表面已完全被冰覆 蓋，冰層均勻致密，且越結越厚；中間兩件為噴涂過超疏水涂層的試片，表面雖有結冰，但冰呈珠狀散 布，且可隨重力自行掉落。超疏水涂層對金屬表面結冰情況有較好的改善。

4.2. 超疏水典型試驗件淋水試驗

4.2.1. 箭體結構典型試驗件設計

通過前文分析可知，目前對于箭體結構防水問題的處理，主要以封堵為主。超疏水材料的疏水特性， 可以將“堵”轉變為“疏”。試驗表面，具有超疏水特性的涂層材料，能夠顯著提高鋁合金表面的疏水 性能。為驗證其在箭體結構防水問題上的實際應用和效果，根據運載火箭常見結構形式，識別易滲漏水 的部位，主要包括口框口蓋處、蒙皮搭接縫、部段對接面、螺栓連接處、蒙皮端框搭接處、小整流罩處等，據此設計了典型艙段防水試驗件，如圖 7 所示。

圖 7. 典型艙段試驗件

試驗在淋水箱里進行，試驗機略微傾斜，在試驗件側面布置淋雨噴嘴，對試驗件噴水。試驗條件參 考運載火箭環境要求，調節噴嘴的噴水量，模擬中雨條件（降雨強度為 10 mm/h，有風源）。試驗在常溫常 壓下進行，試驗時間持續 1 小時。試驗前，對試驗件背面進行保護，如圖 8 所示，防止水從側面進入。分別對噴涂超疏水涂層前、后的試驗件進行淋水試驗。

圖 8. 試驗件背面保護

4.2.2. 無超疏水涂層的試驗件淋水試驗

對未噴涂超疏水涂層的試驗件進行淋水試驗。試驗過程中，可以觀察到水貼著試驗件表面流動，與試片試驗中鋁合金表面表現出的親水性一致；淋水 1 小時后試驗結束，觀察試驗件背面，可以看到塑料膜內殘留了大量水汽，且有存水。經檢查， 幾乎所有預設的可能滲漏水點均有不同程度的滲漏水現象出現。試驗結果表面，在無超疏水涂層保護 下，由于結構表面具有親水性質，水很容易在毛細作用下通過細小縫隙，滲漏到結構內側，如圖 9 所

圖 9. 無超疏水涂層的試驗件淋水后；（a） 口框口蓋處的鎖；（b） 口框口蓋處邊緣

4.2.3. 有超疏水涂層的試驗件淋雨試驗

對噴涂了超疏水涂層的試驗件進行淋水試驗。

試驗過程中，可以觀察到水以珠狀向四周擴散，與試片試驗中噴涂過超疏水材料的鋁合金表面表現出 的疏水性一致。淋水 1 小時后試驗結束，觀察試驗件背面，如圖 10 所示，可以看到背面較為干燥，底部 無存水。經過檢查，沒有出現明顯的水流淌情況。可以看出，超疏水涂料對細小縫隙有較好的防水作用。但是在大口蓋四角處，有少量水滴出現，如圖 11 所示。經分析，該處由于沒有鎖壓緊口蓋與口框，出現 一定的宏觀縫隙，水滴或水流在高速情況下從縫隙處進入到結構內部。由此可見，超疏水材料在較小的縫 隙處有較好的防水效果，而較大縫隙則不能有效防水，需要借助于其他防水手段共同提高防水功能。

圖 10. 有超疏水涂層的試驗件淋水后背面

圖 11. 有超疏水涂層的試驗件淋水后大口蓋附近；（a） 口框口蓋處內側邊緣；（b） 口 框口蓋處外側邊緣

通過試驗結果可以看出，帶有涂層的典型試驗件，對于 1 毫米以內細小的縫隙，具有較好的防水效 果；超疏水材料并不是對試驗件縫隙進行封閉，因此對于有較大縫隙，材料超疏水性無法抵擋水的侵入， 仍需結合密封圈、密封膠等措施共同實現結構防水。

4.3. 超疏水涂層典型壁板結冰試驗

低溫火箭進行推進劑加注時，在推進劑貯箱短殼處會發生結冰現象，結冰導致箭體增重，影響分離， 并有冰塊脫落砸傷人員及產品的風險。以 CZ-5 為例，芯級貯箱短殼上的結冰面積達數十平米，結冰重量 可達數百公斤。

推進劑貯箱短殼的結構形式以鋁合金網格加筋壁板為主。截取一段貯箱短殼網格加筋板作為典型試 驗結構，通過在結構表面噴涂超疏水材料，探索超疏水材料對箭體結構防冰性能的影響。由于實驗室很 難模擬在海南高溫、高濕環境下，水蒸氣附著在低溫結構表面冷凝、結冰的過程，本文只對超疏水材料 的防結冰性能進行探索性試驗。試驗環境為-40℃，水溫約 10℃，水順著壁面向下流動。

如圖 12 所示，試驗件左側為未經處理的原始表面，右側表面噴涂了超疏水材料。試驗開始一段時間 后，左側較右側結冰速度快，且冰層呈面狀分布，而有涂層的右側冰以顆粒狀分布。隨著時間推移，冰 沿著已結冰區域向四周增長并覆蓋原有結構，兩側結冰狀況差別不大。在清理冰層時，右側有涂層的較 左側無涂層的更加省力，說明冰層粘附力較小。

圖 12. 結冰情況，初期和后期

另外，如圖 13 所示，去除冰層后，有涂層的結構表面依然表現出較好的疏水性能。

圖 13. 除去冰層后依然有較好疏水性能

在試驗條件下，超疏水涂層對于箭體結構防結冰的效果在初期較為明顯，結冰速度較慢；由于超疏 水涂層不能避免結構表面完全不沾水，少量水仍然會凝結成冰，隨后接觸到表面的冷水在原有冰層表面 繼續凝結，隨著時間推移，結構表面會形成較厚冰層。

需要說明的是，試驗條件與真實發射場條件有較大差別，而發射場條件難以模擬，因此還不能直接 斷定超疏水涂層在發射場條件沒有效果。

超疏水涂層可以延緩結構表面的結冰速度，但在長時間低溫環境下無法最終阻止結冰，僅能實現冰 層較易去除的效果。

5. 結論及展望 

試驗表明，將超疏水材料涂覆在運載火箭結構表面，具有如下效果：

1） 將對于目前未采取專門防水措施的鉚釘孔、抗剪螺栓孔的極小縫隙，能進一步提高防水可靠性；

2） 對于搭接、對接縫等較小縫隙，可取代涂防水膠工序，簡化操作；

3） 對于開口封堵結構這一類較大縫隙，在結合現有防水措施的基礎上，對提高結構防水能力有一定作用；

4） 超疏水材料對箭體結構表面結冰有一定減緩效果，并能使冰層更易脫落，對提高箭體結構防結冰 能力有一定效果。超疏水材料可在一次程度上提高運載火箭箭體結構的防水、防結冰能力，但距離工程應用仍有較大 距離，需要解決以下關鍵問題：

1） 提高耐磨性，使其對各種常見運載火箭箭體結構表面狀態具有良好的附著性能；

2） 簡化噴涂工藝，或將材料的超疏水性能與目前運載火箭表面噴涂的漆、防熱涂層等相結合，實現 簡化防水操作的目的；

3） 針對運載火箭復雜的環境條件以及實際操作、使用需求，超疏水材料需要滿足無毒、無污染、成 分穩定等要求，并能適應運載火箭高低溫、腐蝕、鹽霧、霉菌、導電性等環境條件。

參考文獻

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原文鏈接：https://image.hanspub.org/pdf/MS20200200000_53878215.pdf