碳纖維在軍工領(lǐng)域中的應(yīng)用——導(dǎo)彈篇
2022-12-21 14:52:17
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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箱（筒）式發(fā)射技術(shù)是當(dāng)今世界上流行的、先進(jìn)的發(fā)射裝置設(shè)計(jì)技術(shù)。因其能夠有效地提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的貯存可靠性，并具有全天候適應(yīng)能力及戰(zhàn)場快速反應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，被當(dāng)今各種陸基和艦載先進(jìn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)采用。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的快速發(fā)展，對發(fā)射箱（筒）的體積、質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性等方面也提出更為嚴(yán)格的要求。由于復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外專家就復(fù)合材料在大截面、長尺寸的戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒應(yīng)用方面開展了大量的研究工作，并獲得了成功。我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒也采用樹脂基復(fù)合材料，比鋁合金發(fā)射筒輕28%。發(fā)射筒采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以很好地解決金屬結(jié)構(gòu)筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發(fā)展趨勢之一。對于復(fù)合材料薄壁筒體，在滿足力學(xué)性能的同時，還應(yīng)滿足耐燒蝕、電磁屏蔽、耐環(huán)境等功能要求，因此必須充分注重其結(jié)構(gòu)、功能一體化鋪層設(shè)計(jì)。本文碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)射筒筒體的材料設(shè)計(jì)，采用以碳纖維為增強(qiáng)體、環(huán)氧樹脂為基體制作筒體的復(fù)材結(jié)構(gòu)層，以鋼內(nèi)襯作為耐燒蝕層和屏蔽層，法蘭、吊裝箍等輔件采用高強(qiáng)鋁合金材料。通常情況下，玻璃纖維增強(qiáng)材料強(qiáng)度高，韌性好，但剛度不足。碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）強(qiáng)度高，剛性好，但韌性不足。根據(jù)以上情況，考慮利用兩種或兩種以上的纖維，采用混雜的增強(qiáng)方式，增強(qiáng)同一種樹脂基體組成復(fù)合材料，能夠取所長，補(bǔ)其所短。可以在較廣泛的范圍滿足產(chǎn)品對復(fù)合材料性能的使用要求，以此成型發(fā)射器身管，來提高發(fā)射器的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊性要求。
- 導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的作用是：導(dǎo)彈正常貯存時保護(hù)彈頭避免受到外界損傷并防止發(fā)射箱內(nèi)的惰性氣體外泄，導(dǎo)彈發(fā)射時箱蓋能夠及時打開不影響導(dǎo)彈正常發(fā)射，由于傳統(tǒng)的發(fā)射箱蓋常采用機(jī)械打開蓋或爆破蓋這兩種形式的蓋體不同程度上都具有打開反應(yīng)時間慢、質(zhì)量大和維修費(fèi)用高等缺點(diǎn)，不利于導(dǎo)彈部隊(duì)快速作戰(zhàn)要求。
鑒于碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料發(fā)射箱蓋正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射箱蓋，而利用發(fā)動機(jī)噴出的燃?xì)饬髟斐蓧毫?shí)現(xiàn)自動開蓋的開蓋方式憑借其高效、可靠和安全的優(yōu)點(diǎn)被大規(guī)模推廣應(yīng)用。
- 選用碳纖維復(fù)合材料用作導(dǎo)彈發(fā)射箱箱蓋的特點(diǎn)：選擇環(huán)氧乙烯基酯類樹脂兼具環(huán)氧樹脂強(qiáng)度高和不飽和聚酯樹脂工藝性好的特點(diǎn)，用環(huán)氧乙烯基酯做樹脂、碳纖維做增強(qiáng)材料制造的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料既具有優(yōu)良的綜合機(jī)械力學(xué)性能，又具有良好的耐高溫性和耐候性以及較高的尺寸穩(wěn)定性。
在導(dǎo)彈發(fā)射時，傳統(tǒng)的機(jī)械打開蓋與爆破蓋有重量大、打開反應(yīng)時間慢和維修費(fèi)用高等缺陷，鑒于碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，采用復(fù)合材料發(fā)射箱蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射箱蓋可以解決這些問題。采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造發(fā)射箱箱體，可以很好的解決金屬結(jié)構(gòu)箱體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等諸多問題。采用復(fù)合材料制造發(fā)射箱，可以將結(jié)構(gòu)做得非常簡單、緊湊，使彈箱質(zhì)量比遠(yuǎn)小于1，同時提高了導(dǎo)彈貯存和運(yùn)輸效率，相比金屬材料有更高的設(shè)計(jì)自由度。碳纖維復(fù)合材料便攜式導(dǎo)彈發(fā)射器主要用于單兵便攜作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，攜帶重量輕。對發(fā)射器的主要性能要求是：a）導(dǎo)彈采用的是筒式發(fā)射方式，發(fā)射器必須是薄壁圓筒形截面結(jié)構(gòu)。b）發(fā)射器的重量為系統(tǒng)重量的1/6。c）要求身管對導(dǎo)彈具有足夠的鎖定強(qiáng)度，密封性好，透濕率、軸向變形要小。d）發(fā)射器，導(dǎo)彈，安全鎖，一、二號電氣接插件，壓力調(diào)接閥，閉氣膜，呼吸膜，前、后密封緩沖組件等組合構(gòu)成武器系統(tǒng)。發(fā)射器為零部件提供了安裝基準(zhǔn)。基于上述要求，碳纖維/玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是發(fā)射器身管材料的首選方案。這樣的身管方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、便于生產(chǎn)的特點(diǎn)。 按照發(fā)射器的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求及纖維纏繞的特點(diǎn)，身管的結(jié)構(gòu)采用螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式，以便發(fā)射器身管的徑向、軸向強(qiáng)度和剛度滿足綜合性能要求。管身螺旋纏繞角度為35°，環(huán)向纏繞角度為 90°，螺旋循環(huán)數(shù)為 96 次，根據(jù)確定的螺旋纏繞角、纏繞方式、纏繞順序以及螺旋和環(huán)向纏繞層數(shù)進(jìn)行發(fā)射器身管的強(qiáng)度計(jì)算。 采用碳纖維/玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究導(dǎo)彈發(fā)射器身管，發(fā)射器重量輕，強(qiáng)度高，剛性好。碳纖維是彈箭復(fù)合材料發(fā)射器輕量化研究的首選材料之一。碳纖維導(dǎo)彈發(fā)射器身管的透濕率、軸線變形、鎖彈強(qiáng)度、密封性能可以滿足導(dǎo)彈發(fā)射器的設(shè)計(jì)要求，同時還具有電磁屏蔽的作用。發(fā)射簡采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以很好地解決金屬結(jié)構(gòu)筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發(fā)展趨勢之一。 發(fā)射筒筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)導(dǎo)彈外形結(jié)構(gòu)、彈翼分布、導(dǎo)彈在筒內(nèi)的支撐與導(dǎo)向方式以及其他使用要求進(jìn)行。筒體截面形狀為圓形，發(fā)射筒內(nèi)壁需能耐受高溫燃?xì)饬鳑_刷和多次使用要求，筒內(nèi)壁選用了金屬內(nèi)襯，外層承載結(jié)構(gòu)采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，考慮到筒前端受到較大的沖擊載荷，發(fā)射筒前、后法蘭選用高強(qiáng)鋁合金，筒體設(shè)計(jì)有前、后吊裝箍，保證發(fā)射筒的起吊和放置，吊裝箍為高強(qiáng)鋁合金材料。發(fā)射筒筒體由金屬內(nèi)襯、復(fù)材結(jié)構(gòu)層、前法蘭、后法蘭、環(huán)筋、前吊裝箍、后吊裝箍等組成。復(fù)合材料發(fā)射筒以鋼內(nèi)襯為芯模，外纏碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)層，在一定溫度下高溫固化成型。復(fù)合材料發(fā)射筒采用自動化設(shè)備連續(xù)纖維成型工藝簡便且材料制造和制品成型同時完成，體現(xiàn)了復(fù)合材料制品的材料、設(shè)計(jì)和制造三者間的密切關(guān)系。 M3“卡爾·古斯塔夫”在戰(zhàn)場上的優(yōu)異表現(xiàn)，美國陸軍決定大規(guī)模采購裝備這一瑞典制武器。2014年，瑞典薩博公司推出了M4新型反坦克火箭，M4重6.7KG，較卡爾·古斯塔夫M3輕約3KG，外殼采用碳纖維復(fù)合材料(減重0.8KG)，通過重新設(shè)計(jì)文丘里管使火箭炮減重0.9千克，M4的總長度減到了1米以內(nèi)。超輕型迫擊炮研制時間也是從2015年就已經(jīng)開始，正好與某超輕型120毫米迫擊炮的總設(shè)計(jì)師講述的“2015年我又擔(dān)任了輕120迫擊炮的總設(shè)計(jì)師”相吻合，估計(jì)其定型名稱或許可能叫15式“輕120迫擊炮”，從目前公開的信息，此迫擊炮與美國洛克希德導(dǎo)彈與宇航公司已用碳纖維復(fù)合材料制造了一種120毫米迫擊炮管一樣，高性能碳纖維用作迫擊炮身管外部增強(qiáng)層纏繞，內(nèi)部采用Ni?或者鈦合金炮鋼材料做內(nèi)襯（未來有可能使用更輕的M46碳纖維方案），既大大降低了重量，又避免了完全使用碳纖維的引起的高溫?zé)茊栴}，也便于分成兩節(jié)。
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