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1. 前言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）作為先進(jìn)復(fù)合材料的代表，它的發(fā)展不僅推動(dòng)航天技術(shù)的飛速發(fā)展，在導(dǎo)彈和火箭的應(yīng)用中也有著不可替代的作用。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用水平與規(guī)模甚至已經(jīng)關(guān)系到導(dǎo)彈與火箭新型號(hào)的研發(fā)和整體性能的提升。

2. 應(yīng)用背景

許多航天工業(yè)組織正在追求火箭結(jié)構(gòu)的輕量化，在這種氛圍下碳纖維復(fù)合材料則成為輕量化首選。目前火箭飛行維持器的主要結(jié)構(gòu)如翅片筒、鼻錐、機(jī)身等均可通過(guò)采用碳纖維復(fù)合材料 (CFRP)，可以有效降低重量。

航天飛行器的重量每減少1公斤，可使運(yùn)載火箭減輕500公斤，因此，碳纖維復(fù)合材料成為目前航天飛行器結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)成熟度最高的材料。對(duì)于運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈而言，碳纖維復(fù)合材料不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，而且也是功能化的關(guān)鍵原材料。

目前航天器結(jié)構(gòu)用碳纖維主要為PAN基碳纖維，而且以高強(qiáng)中模（T系列）、高強(qiáng)高模（MJ系列）為主，如火箭、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用高強(qiáng)中模碳纖維，導(dǎo)彈支架、支座或托架等結(jié)構(gòu)采用了高強(qiáng)高模碳纖維。

在運(yùn)載火箭領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料可用于制造固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)、箭體整流罩、儀器艙、級(jí)間段、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯、衛(wèi)星支架、低溫貯箱等部件。碳纖維復(fù)合材料在運(yùn)載火箭應(yīng)用的典型代表為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，殼體除了承受來(lái)自?xún)?nèi)外部的壓力外，會(huì)要面臨軸壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)及橫剪等外部載荷，因此發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用的碳纖維大多為強(qiáng)度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高強(qiáng)中模碳纖維，如日本東麗T800、T1000和美國(guó)赫氏IM7等。

3. 碳纖維復(fù)合材料火箭

Neutron號(hào)火箭

采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，“中子”（Neutron）號(hào)火箭將成為全球第一個(gè)碳纖維復(fù)合材料大型運(yùn)載火箭。

憑借先前開(kāi)發(fā)小型運(yùn)載火箭“電子”（Electron）的成功經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)領(lǐng)先的發(fā)射和空間系統(tǒng)公司“火箭實(shí)驗(yàn)室”（Rocket Lab USA）開(kāi)發(fā)了一款名為“中子”（Neutron）的大型運(yùn)載火箭，其載荷能力達(dá)8噸，可用于載人航天、大型衛(wèi)星星座發(fā)射和深空探測(cè)等任務(wù)。該火箭在設(shè)計(jì)、材料和可重復(fù)利用方面取得了突破性成果。

圖1 美國(guó)Neutron號(hào)碳纖維復(fù)合材料運(yùn)載火箭

Electron號(hào)火箭

與SpaceX的獵鷹9號(hào)（Falcon 9）或藍(lán)色起源（Blue Origin）的新牧羊犬（New Shepherd）等巨型火箭相比，Electron號(hào)像是一個(gè)嬰兒火箭，因?yàn)槠渥畲笥行лd荷僅為225千克，而獵鷹9的最大有效載荷為22800千克。但Electron與這些大型火箭不同之處在于，它專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于將稱(chēng)為立方體衛(wèi)星的微小衛(wèi)星送入太空。對(duì)于發(fā)射輕型有效載荷的需求來(lái)水，它的發(fā)射價(jià)格也相對(duì)便宜，每次發(fā)射550萬(wàn)美元，而將SpaceX獵鷹9號(hào)火箭送入軌道通常需要6000萬(wàn)美元。

圖2 Electron號(hào)運(yùn)載火箭組裝車(chē)間

4. 碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)外殼

據(jù)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第三級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量每減少1kg，可增加有效射程 16km，因此自20世紀(jì)80年代以來(lái)，多種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等結(jié)構(gòu)開(kāi)始使用復(fù)合材料，如美國(guó)新一代空面巡航導(dǎo)彈 ACMI58-JASSM為了大幅度地降低成本、減輕彈體重量，不僅彈翼、尾翼、進(jìn)氣道采用復(fù)合材料，整個(gè)彈身全部艙段都采用了碳纖維復(fù)合材料，全彈減重了30%，成本降低50%。

Aerojet Rocketdyne電機(jī)碳纖維繞線機(jī)于2020年初開(kāi)始在阿拉巴馬州的漢斯維爾生產(chǎn)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。

結(jié)構(gòu)殼體采用碳纖維纏繞方式成型，最大生產(chǎn)直徑為72英寸、長(zhǎng)度為22英尺的機(jī)殼，其大小足以支持戰(zhàn)略導(dǎo)彈計(jì)劃，旨在制造用于各種導(dǎo)彈，導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和高超音速系統(tǒng)的機(jī)殼，它同時(shí)支持的生產(chǎn)包括終端高空區(qū)域防御和標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)彈攔截器。

圖3 碳纖維復(fù)合材料外殼纏繞設(shè)備

圖4 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料外殼

5. 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料在火箭上的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，隨著碳纖維復(fù)材的更新迭代，后續(xù)出現(xiàn)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料相繼問(wèn)世。制造火箭的多個(gè)部件可能還會(huì)迎來(lái)新的變化，碳纖維航空航天應(yīng)用也就得到更多的成效，我們拭目以待。

圖5 碳纖維復(fù)合材料火箭外殼

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