碳纖維在導彈發射器上的應用研究*

李金龍，虞健美，劉冬梅

（中國兵器工業第203研究所，西安 710065）

0 引言

發射器是戰術導彈的重要組成部分。在導彈的制造、貯存、運輸、便攜、使用等情況下，發射器一般具有四個方面的功能。首先是安裝鎖定導彈；第二是賦予導彈初始射向；第三是防護包裝導彈；第四是便攜背負導彈。國外輕型導彈武器系統的發射器身管，一般都采用玻璃纖維（GF）增強樹脂基復合材料結構。我國的紅箭－8等導彈武器系統，發射器身管采用了玻璃纖維增強樹脂基復合材料。

碳纖維（CF）是一種高性能的纖維材料[1]，具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高導熱、低熱膨脹、耐化學輻射等特性。碳纖維增強復合材料具有質量輕、比強度高、比剛度高、抗沖擊和抗彈性強等優異性能，廣泛用于交通運輸、航空航天、兵器工業和工程防護等國民經濟和國防建設的諸多領域[2]。我國的PAN基碳纖維的用量很大[3]，用PAN基碳纖維研制小型導彈發射器身管，不但可以大大降低發射器乃至武器系統的重量，而且利用碳纖維的導電性能減小電磁波對導彈的干擾。

通常情況下，采用單一種類纖維增強的復合材料發射器身管，雖各有其所長，但在性能和實際應用中，也都各有其短。玻璃纖維增強材料（GFRP）強度高，韌性好，但剛度不足。碳纖維增強材料（CFRP）強度高，剛性好，但韌性不足。根據以上情況，考慮利用兩種或兩種以上的纖維，采用混雜的增強方式，增強同一種樹脂基體組成復合材料，能夠取所長，補其所短。可以在較廣泛的范圍滿足產品對復合材料性能的使用要求。為了彌補這一不足，采用低密度高模量的碳纖維（CF）與玻璃纖維（GF）混雜纏繞成混雜纖維復合材料（HY），以此成型發射器身管，來提高發射器的強度、剛度和抗沖擊性要求。

1 發射器的性能要求和方案

某型導彈武器系統主要用于單兵便攜作戰，武器系統結構緊湊，外形尺寸小，攜帶重量輕。

對發射器的主要性能要求是：

a）導彈采用的是筒式發射方式，發射器必須是薄壁圓筒形截面結構。

b）發射器的重量為系統重量的1／6。

c）要求身管對導彈具有足夠的鎖定強度，密封性好，透濕率、軸向變形要小。

d）發射器，導彈，安全鎖，一、二號電氣接插件，壓力調接閥，閉氣膜，呼吸膜，前、后密封緩沖組件等組合構成武器系統。發射器為零部件提供了安裝基準。

基于上述要求，碳纖維／玻璃纖維混雜增強樹脂基復合材料（HY）是發射器身管材料的首選方案。這樣的身管方案具有結構緊湊、重量輕、強度高、剛性好、便于生產的特點。

2 成型工藝

2.1 結構與尺寸

a）采用碳纖維／玻璃纖維增強樹脂基復合材料研制的導彈發射器，身管是發射器的關鍵結構。根據前期研究的試驗驗證，發射器從內表面到外表面的結構層次設計如圖1所示。

圖1 發射器結構層次

b）身管壁厚不大于2mm。

2.2 原材料

發射器身管采用濕法連續纖維纏繞成型技術，增強材料是240TEX的玻璃纖維無捻紗和12K的碳纖維無捻紗，樹脂系統為雙酚A環氧樹脂和液體酸酐體系。前后滑塊、前后筒口圈材料為2A12－T4鋁棒和鋁管，發射器的主要材料見表1。

表1 主要材料

2.3 身管成型條件

按照發射器的強度和結構要求及纖維纏繞的特點，身管的結構采用螺旋纏繞和環向纏繞相結合的方式，以便發射器身管的徑向、軸向強度和剛度滿足綜合性能要求。身管成型條件見表2。

表2 發射器身管設計參數

2.4 身管強度計算

根據確定的螺旋纏繞角、纏繞方式、纏繞順序以及螺旋和環向纏繞層數進行發射器身管的強度計算。承受內壓作用的纖維纏繞結構，采用網格理論進行結構強度設計。計算公式如下，這里不進行詳細計算。

螺旋纏繞的軸向承壓力：

螺旋纏繞的徑向承壓分量：

環向纏繞的徑向承壓力：

3 試驗

發射器的試驗研究文中從實際應用和材料特點出發，重點介紹以下幾個方面。有關的電性能、結構接口和環境適應性不再贅述。

3.1 透濕率

發射器身管進行了棚下暴露試驗。試驗目的是檢測發射器身管在暴露棚試驗貯存條件下規定時間的透濕率。

試驗站的地理位置和氣候類型見表3。

表3 試驗站的地理位置和氣候類型

將身管樣品直接暴露于有頂棚遮蓋的大氣環境條件下，不直接接受太陽輻射和雨淋。用水泥臺架支撐樣品，離地面最低高度不小于0.2m，確保底部空氣流通。存放現場見圖2，試驗數據見表4。

3.2 軸線彎曲

發射器的軸線彎曲試驗目的是檢測發射器身管在距發射器前端10mm處，施加垂直于發射器軸線的作用力180N，發射器發生彎曲變形的程度。

圖2 棚下暴露存放現場

表4 透濕率試驗數據

彎曲變形量的試驗方法采用加載變形的方法。試驗設備包括剛性臺面、磁力表架、百分表、砝碼和導軌。將發射器與定發射裝置接，固定在剛性臺面上，使發射器成水平狀態，把百分表裝在表架上后固定在剛性臺面上，百分表的測頭接觸發射筒體口部，首先施加20N左右的預緊力（消除滑塊的間隙），把百分表表針調整為零，將180N的砝碼掛在發射器的口部10mm范圍內，10s后讀取百分表數據。試驗數據見表5。

表5 彎曲變形量試驗數據

3.3 鎖彈強度

發射器的鎖彈強度試驗目的是檢測發射器對導彈可靠鎖定能力。

鎖彈強度試驗方法如圖3所示，試驗數據見表6。

表6 鎖彈強度試驗數據

圖3 鎖彈強度試驗現場

3.4 密封性

發射器密封性試驗目的是檢測發射器的密封性能。檢測正壓（干燥空氣）17±2kPa，負壓－10±2kPa，穩定后保持5min壓差的變化情況。

密封性試驗采用密封檢測系統對發射器進行正、負壓密封檢測。密封性試驗現場見圖4，試驗數據見表7、表8。

表7 正壓狀態下試驗數據

表8 負壓狀態下試驗數據

圖4 密封性試驗現場

3.5 實際應用試驗

在碳纖維增強樹脂基復合材料發射器研究期間，為某武器系統的控制系統參數優化設計摸底試驗、飛行器結構改進有控試驗和無控噪聲測試試驗、新型結構傾斜穩定回路試驗、系統總體性能驗證試驗、有控試驗和無控飛行試驗、高原試驗提供了發射器150余次。

4 結論

a）經過綜合試驗表明，采用碳纖維／玻璃纖維增強復合材料研究導彈發射器身管，發射器重量輕，強度高，剛性好。碳纖維是彈箭復合材料發射器輕量化研究的首選材料之一。

b）碳纖維導彈發射器身管的透濕率、軸線變形、鎖彈強度、密封性能可以滿足導彈發射器的設計要求，同時還具有電磁屏蔽的作用。

c）研究中主要采用的是T700－12000－50PAN基碳纖維。為了未來生產材料的國產化，發射器研究中同時進行了國產碳纖維的應用研究工作。在不改變樹脂體系的情況下，發射器身管的增強材料選用了國產的ST300A－12KPAN基碳纖維。使用國產碳纖維的導彈發射器通過鑒定試驗以及武器系統的無控試驗和有控試驗表明，國產碳纖維可以在發射器上應用。

[1]聞荻江.復合材料原理[M].武漢：武漢理工大學出版社，1998.

[2]MALLICK P K.Fiber reinforced composites materials，manufacturing，and design[M].New York：CRC Press，2007.

[3]陳紹杰.碳纖維再聚焦[J].高科技纖維與應用，2009（1）.