近空間飛艇蒙皮復合材料研究進展

費 川，王梓橋，周秀燕，王 非

(1. 海軍駐哈爾濱地區艦船配套代表室，哈爾濱 150036)(2. 哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

近空間飛艇蒙皮復合材料研究進展

費 川1，王梓橋2，周秀燕2，王 非2

(1. 海軍駐哈爾濱地區艦船配套代表室，哈爾濱 150036)(2. 哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

近空間飛艇對于情報收集、通訊保障、偵查監視以及空間探測等領域應用潛力巨大。近年來日益受到人們的關注。蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料，是發展近空間飛艇的關鍵因素之一，其性能高低直接影響飛艇的類型、成本及壽命。本文對近年來國內及國外臨近空間飛艇蒙皮材料的強度、阻隔性、耐候性和評價手段等方面的研究進行總結，最后提出我國關于飛艇蒙皮材料研究需要考慮的問題。

復合材料；飛艇蒙皮；近空間

1 引 言

平流層飛艇是指飛行于大氣平流層的飛艇，工作高度一般為18～24 k m左右，主要依靠靜升力駐空工作。由于平流層飛艇在軍事偵察、空間預警、 通信中繼和空間探測等領域的應用優勢，近些年來日益受到人們的關注。 蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料，其性能的高低直接影響飛艇的應用效能，如浮空高度、持續飛行時間、有效載荷、服役壽命等。

由于飛艇長期工作的地點在平流層這種特殊的環境中，晝夜溫差非常大，大氣空氣稀薄，密度約為0.088 9 kg/m3，僅為地面的1/14，其蒙皮材料必須滿足輕質高強、耐候(高低溫、濕度、紫外線輻射臭氧等)以及低的面密度和氦氣滲透率。目前各國對飛艇的研究均處于研究階段，現在沒有通用的標準要求，日本研究機構曾提出其中蒙皮材料的面密度<380 g/m2，抗撕裂強度>300 N/cm，氦氣滲透率<1 L/(m2·24h·0.1 MPa)，才有工程應用。

2 蒙皮材料研究進展

截止目前為止，尚沒有一種材料能夠滿足上述材料性能，飛艇的蒙皮材料屬于典型的復合材料，飛艇一般由承重層，阻氦層，耐候層，粘結層，焊接層組成[1]，如圖1所示。

圖1 蒙皮材料結構圖

2.1 承重層

承重層幾乎承受囊體的全部強度，是囊體材料的核心層，主要承受飛艇內壓并確保蒙皮的強度，由纖維織物構成。作為基質的纖維織物結構形式一般為低支數低密度平紋布：從發展早期的聚對苯二甲酸乙二醇纖維(牌號Dacron)，尼龍，高強聚乙烯纖維(牌號Dyneema)，到芳綸(牌號Kevlar1414)及聚芳酯(牌號Vectran)、聚對苯撐苯并雙噁唑纖維(PBO)等纖維復合材料。

日本航空宇宙研究機構等分別采用了芳香族聚酯纖維、芳綸纖維和聚對苯撐苯并二惡唑纖維等織物作為承重層進行了高強纖維基質飛艇蒙皮材料的研究，發現PBO基蒙皮材料在所測試的材料中性能最優，強度最高，在不同環境溫度下有優異的力學性能，能夠滿足飛艇蒙皮的基本要求[2]。

我國最早在90年代初期，北京航空材料研究所[3]研制的Dacron(滌綸)基體承力層在我國第一艘充氦氣載人飛艇FK-4上得到應用。

北京空間機電研究所曹旭等[4]采用自制的PBO平紋織物作為承重層，厚度為200 μm，幅寬為50 cm，面密度達到86.45 g/m2，經向抗拉強度大于1 000 N/cm，各項指標均達到承重層要求。

東華大學王琳等[5]采用國產高強低密的滌綸平紋織物和國產樹脂，經測試所研制的材料不僅滿足飛艇蒙皮材料基本要求，而且略高于國外Dacron基質蒙皮材料。

國防科技大學劉卓峰等[6]采用國產芳綸平紋布作為基質承力層，發現斷裂強度達到1 790 N/cm，膜/布抗剝離強度>5.5 N/cm等，各項指標也滿足飛艇蒙皮的基本要求。近年來中國航天科工六院46所由于F-12纖維的研發成功，也在積極探索在飛艇承重層方面的應用。

2015年8月我國商用平流層飛艇-旅行者號在新西蘭試飛，其飛艇用蒙皮材料由中國航天科工六院46所設計制造,同年10月北京航空航天大學等研制臨近空間平臺“圓夢號”，上海交通大學也曾進行了飛艇放飛實驗的相關研究。

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高空飛艇(HAA)是美國軍方重點支持的發展項目,主要用于驗證飛艇平臺。HAA一直致力于研究高強度重量比的蒙皮材料，研究的突破點正是開發高強度的織物纖維。2008年7月確定利用現有技術制作一個長度為73.15 m，最大直徑為21.34 m的試驗樣機，駐空時間半個月以上,有效載荷為22.7 kg， 并于2009年夏天進行試飛。樣機的蒙皮材料為聚酯基柔性復合材料。

2.2 阻氦層

由于現代飛艇基本都使用氦氣作為浮升氣體，要使飛艇長時間駐留在空中,作為蒙皮必須具備阻氦性能。Tedlar、聚氨酯等材料都具有一定的阻隔性能[7]，其中Tedlar膜具有一定的抗滲透率和抗霉菌性，其外氣囊膜滲透氦氣約為0.2 L/m2·d·A～1.14 L/m2·d·A。目前為止，性能最好的氦氣阻隔膜是日本可樂麗公司生產的EVAL(聚乙烯和聚乙烯醇的共聚物)商用薄膜。

國內李斌太等[8]采用PET(聚對苯二甲酸二甲酯)薄膜作為阻隔層，并對其進行改性,為了充分利用鋁的阻隔性能，又避免其缺點，對PET薄膜進行金屬化改性，通過磁控濺射工藝制備出金屬化試樣，如表1所示。

表1 金屬化后PET薄膜氦氣阻隔性能變化

經過鍍鋁后PET薄膜氦氣透過量明顯減少，證明金屬化PET薄膜對氦氣有良好的阻隔性能。

2.3 耐候層

聚偏二氟乙烯和聚氟乙烯膜具有良好的耐彎折、耐磨損和自清潔的特性，是良好的耐侯層材料。其中聚氟乙烯涂層膜材料具有材料輕、強度高、氣密性優、抗形變等顯著的優點，杜邦公司生產的聚氟乙烯膜使用的最為廣泛[9]。美國海軍Sentinel1000飛艇采用聚氟乙烯聚酯布復合層，具有較好的耐候性，同時具有一定的雷達隱身性能。此外，由于熱塑性聚氨酯具有優良的抗拉伸、耐高低溫、抗撕裂和抗老化性能，也廣泛的應用于防護材料中。

2.4 粘接層

粘結層是將承力層、阻氦層和耐候層三層粘結在一起的媒介，因此是蒙皮材料中一項重要的組成部分，需要一定的耐脫層性和耐候性，同時在多次屈撓后扔能保持原來的狀態，不發生脫層現象[10]。

粘結劑不僅可以用于層與層之間的粘合，也可以用于膜片的焊合縫。常用的粘合劑有以下三種：聚酯類、聚醚類和聚氨酯類，三類粘合劑有著各自的優缺點，依據各層材料的特點選擇合適的粘合劑。但總體來說聚氨酯粘合劑在蒙皮材料上應用較多。其分子鏈中含有氨基甲酸酯基團(-NHCOO-)或異氰酸酯基(-NCO)，粘結性較高，可以粘結多種不同材料，可以在極低的溫度下保持較高的玻璃化強度，粘結后的粘結層耐沖擊性好、堅韌、繞曲性好，耐油和耐磨性好。

杜邦公司生產應用于飛艇囊體材料上的新型聚酯型熱塑性彈性體，其黏合強度可以達到0.069 MPa以上，性能優異[11]。

馮銘竹[12]等人采用國產的雙組份聚氨酯粘合劑開發制備平流層飛艇蒙皮材料，并研究了粘合劑的配方、初固化溫度和熟化條件等對蒙皮材料綜合性能的影響，并進行調控，最終制得了具有優異的機械強度和耐候性能的蒙皮材料。

2.5 蒙皮拼接技術

蒙皮各個功能層一般采用熱壓層合工藝，經過制備完成的膜片需要拼接成飛艇蒙皮，蒙皮外囊片的連接形式一般分為平接、搭接、錯接三種，大型飛艇大多采用對接法，并在局部處采用錯接。

對接法需采用專門的對接膠帶，進行高頻熔接，間隙控制在1 mm，外對接膠帶寬度為60～80 mm之間，內對接帶寬度40～50 mm。也有采用縫合方法，然后采用針眼密封處理。

中國航天科工集團第六研究院四十六研究所鄧云飛等[13]對浮空器蒙皮材料采用高頻焊接機對接焊接蒙皮片層，得出纖維線密度與焊接帶焊接性能成正比關系，織物面密度越小，織物結構越稀松，焊接帶剝離性能越好，緞紋結構焊接帶焊接剝離性能普遍偏低。

上海交通大學高海建等[14]對三種氣囊膜材進行分析發現，3216L膜材采用對接焊縫時，發現試件都是在焊縫處破壞，原因可能是由于高溫導致材料性能改變以及對接縫處應力集中，在實際工程中可以采用雙面焊等措施解決。

3 研究意義

蒙皮材料的選擇和研制及其復合工藝等對最終的飛行器性能都起著至關重要的影響[15]。而我國在這一方面與國外相比還有一定的差距，自主研發的蒙皮材料較少，主要依賴于進口復合好的材料或者將進口的阻氣膜和防老化膜與國產布基材料進行復合，這不利于進行多功能、多用途飛艇的研究，同時成本較高，限制了我國飛艇的進一步發展。因此，研發性能優異的蒙皮材料和特種材料，不斷改性形成工藝，已成為當今亟待解決的問題。

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Research Status of Near Space Airship Envelop Materials

FEI Chuan1，WANG Ziqiao2，ZHOU Xiuyan2，WANG Fei2

(1.Deputy of Chinese Army in Harbin, Harbin 150036)(2.Harbin FRP Institute,Harbin,150036)

Near space airship has huge potential for information gathering, communication, globle spying and space exploration that has gained increasing attention in recent years .Envelop materials as main structure materials is the key factor for development of near space ship. Envelop material directly influence the spaceship type, cost and service life. This paper summarizes the research on the strength, barrier, weatherability and evaluation methods of airship skin materials in recent years. At last, some problems in the research of airship envelop materials are put forward.

composite material; space airship envelop; near space

2016-09-07)

費川(1983-)男，吉林人，碩士。研究方向：復合材料工藝及裝備綜合保障。E-mail：150017986@qq.com.