[摘要]文中从弹箭发射器的研究出发,利用有机涂层材料作为发射器的耐烧蚀、抗冲刷层,进行了涂层材料研究和成型工艺方法研究。解决了单兵用火箭发射器的重复使用和发射器的减重问题。
[关键词]发射器;涂层材料;涂层结构;重复使用
1 引 言
作为单兵使用的各类弹箭武器发射器,研究一种耐烧蚀、抗冲刷的新型发射器,对有效的减轻消极重量,满足多次使用的战技要求,就显的十分重要。本文在新产品研究的基础上,着重就发射器的耐烧蚀、抗冲刷涂层材料以及发射器的成型工艺进行研究和探讨,以寻求较适宜的涂层材料和工艺方法,实现发射器多次使用过程中耐烧蚀、抗燃气流冲刷的目的。这种火箭发射器的强度主要取决于纤维增强材料,而耐烧蚀性、抗冲刷性取决于发射器内壁的涂层材料。
耐烧蚀涂层与发射器强度层的结构如图1所示。
2 涂层材料的一般要求
a)涂层材料颜色要接近黑色金属。
b)与FRP粘结力强,相容性好,成型工艺简单。并且在运输、贮存和使用过程中不允许脱落、龟裂、剥落等现象。
c)多次使用不影响发射器导弹的初速和动不平衡冲量。
d)能承受发动机的高温燃气流冲刷和烧蚀(推进剂为复合药,主要成份有丁羟胶、过氧酸氨、铝粉、黑索金,燃烧温度3228K)。
e)使用环境温度为-40℃-+55℃。
f)性能稳定可靠,环境适应性好。
g)成型后表面光滑,无划痕。
3 涂层材料的基本成份及工艺方法
发射器涂层材料采用的是有机烧蚀涂层防热材料[1],而有机烧蚀涂层防热材料一般都不具备通用性,基本上要依据材料所承受的环境条件来研究适用的材料体系。有的环境希望涂层材料具有优秀的隔热性能,有的环境希望涂层材料具有优秀的抗冲刷性能,有的环境希望涂层材料两者都具备。
反坦克武器系统的固体火箭发动机上使用的涂层材料目前包括高温成型和常温成型两种类型,两种应用环境区别较大。作为发射器的耐烧蚀、抗冲刷涂层材料研究的侧重点包括两个方面。一个是涂层材料的基本组成和基本性能,一个是涂层材料的成型工艺条件。也就是说,涂层材料的组成成份确定以后,成型工艺方法就成为影响涂层结构性能的主要因素。
3.1 涂层材料的配方设计
用有机涂层材料作为发射器的防热层,是以涂层材料本身的物理和化学变化来吸收所在环境周围的热量获得热防护效果的。设计配方主要是依据隔热层所处的热环境参数(温度、压力、热流、气动剪切力等)来决定。一般说来,在高温、高气动剪切力条件下应选用热固性高成碳率的树脂,难熔的填料和增强剂组成;而在低剪切力情况下则应选择热塑性树脂和膨胀型填料。目前设计配方尚无固定的模式,只有根据具体情况通过试验优化选择配方。有机涂层材料的基本组成包括:有机高分子树脂、填料、增强剂、添加剂、溶剂等。在设计有机涂层材料的配方时,各组份对涂层结构性能的贡献都要进行综合考虑。
3.2 涂料配方中各组份的作用及选择
3.2.1 基体树脂的作用及选择
基体树脂是耐烧蚀涂层材料的主要组成部分。研究结果表明,有机高分子烧蚀材料的热稳定性和耐烧蚀性能主要取决于材料组成中基体树脂的结构。其他成份只能部分的改变耐烧蚀涂层材料的性能。作为发射器内壁的隔热涂层材料,不仅要求隔热性能好、强度高,而且还要有优良的抗燃气流冲刷能力。因此,在选择基体树脂时,通常以酚醛树脂作为基本基体树脂,以环氧树脂作为增强增韧基体树脂。在酚醛树脂中加入一定量的环氧树脂,在固化过程中,使基体树脂形成一个多元网状结构,成型后涂层结构不仅成碳率高,抗燃气流冲刷,而且具有一定的强度和韧性,以满足发射器的成型工艺和使用过程中的形变要求。
3.2.2 耐高温填料的选择
对于耐烧蚀涂层材料来说,一般需要加入填料来达到改善涂层结构的耐烧蚀性、耐冲刷性、机械性及其他目的。所用的填料根据作用不同,可分为高温耐热填料,高温吸热填料,低密度填料和特种填料等等。一般情况下,在高温环境并伴有气动剪切力作用时,可采用难熔耐热填料[3]。选择Al2O3·3H2O作为吸热材料,选择ZrO2、SiO2作为高温耐热填料和增强材料。
3.2.3 涂层材料配方的确定
把选定的基体树脂作为粘接剂,加入一定量的吸热填料、耐热填料和增强填料,按照每一种填料对涂料性能的特殊贡献,通过材料试验分析和发射器发射火箭验证,最终得到作为发射器内壁隔热层结构的涂层材料配方。要使隔热层结构具有良好的使用效果,涂层材料的配方应结合实际要求来调整基体树脂和每一种填料的用量。通过试验证明,每一成份的含量不同,涂层结构的性能相差很大。
3.3 发射器耐烧蚀涂层的特点
发射器的工作条件决定了这种涂料不同于其他型号上使用的耐烧蚀涂料。主要的区别有以下几点:
a)涂层结构要求强度高,硬度大,发射器的整体结构好。
b)涂层结构表面平整、光滑,发射器的动不平衡冲量小。
c)抗燃气冲刷性好,发射器可重复使用。评价这种涂层结构的性能,尤其是抗燃气流的冲刷性,可以从以下几个方面考虑:
a)涂层中的酚醛树脂具有高达60%的成碳率;
b)涂层中有一定比例的耐高温增强填料;
c)受热分解时,含有34%的Al2O3·3H2O具有较强的吸热作用。
3.4发射器耐烧蚀涂层的成型方法
对于多次使用的单兵火箭发射器,在结构和强度设计的同时,更重要是耐烧蚀、抗冲刷的内壁涂层设计。当隔热涂料配方确定后,涂层材料如何成型,采用什么工艺成型发射器,就显得尤为重要。在发射器的成型过程中,由于芯模表面涂有脱模剂,必然会影响到涂料在芯模表面的连续性、附着力以及涂料的流平性。所以采用传统的工艺方法具有一定困难。
经过试验的方法验证,一种具有耐烧蚀层的火箭发射器的成型工艺路线如图2所示。即先成型耐烧蚀隔热涂层,中间采用过渡层消除涂层材料与发射器强度层的界面影响,最后成型(连续纤维缠绕)发射器的强度层。
4 发射器的试验验证
4.1 发射器的使用寿命试验
a)发射装置
试验用发射装置由具有耐烧蚀层的火箭发射器和炮架组成。配用78式82光学瞄准镜。见图3所示。
b)试验用弹及数量
使用8发多用途火箭弹。
c)点火方式
采用充电式电起爆器远距离点火。
d)试验结果
8发弹自然温度发射初速中间误差为1.128m/s,小于1.5m/s。发射器外观及结构尺寸完好,满足设计技术要求。
4.2 发射器的动不平衡冲量试验
a)发射装置
试验用发射装置由具有耐烧蚀层的火箭发射器和动平衡试验吊架组成。如图4所示。
b)试验用弹及数量
试验用弹为多用途火箭弹,高温(+55℃±2℃)、低温(-40℃±2℃)各三发。
c)点火方式
采用接线后起爆器点火。
d)试验结果
有耐烧蚀层的火箭发射器发射多用途弹高温动不平衡冲量最大I值为6.24n·s,低温动不平衡冲量最大I值为8.14n·s,发射器内壁无明显烧蚀和冲刷痕迹,内表面依然光滑。
5 结论
a)以酚醛树脂为主要成份、环氧树脂作为固化剂的树脂基体,氢氧化铝(Al2O33H2O)作为吸热剂,高硅氧(SiO2)和氧化锆(ZrO2)为增强材料及耐高温填料,按一定比例配制成的隔热涂层材料,可以有效地作为发射器内壁涂层结构,能够满足发射器多次使用要求。
b)将发射器采用三步法成型工艺,基本解决了工艺中的技术问题,工艺重复性好,便于工业化生产。也就是说,先成型隔热涂层结构层,在隔热涂层结构层上再成型过渡层,最后成型强度层,基本上解决了发射器的强度、耐烧蚀抗冲刷和隔热涂层结构层与发射器强度层的界面问题。
[参 考 文 献]略
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