聚酰亞胺復合材料在噴管軸向限位的應用研究

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聚酰亞胺復合材料在噴管軸向限位的應用研究

零、部組件輕質化是固體火箭發動機的重要發展方向之一，這對新材料的力學性能與有關結構的適應性帶來很大考驗。針對全軸擺動噴管機械式金屬限位裝置的功能，設計了一種聚酰亞胺復合材料限位結構。這種結構的應用不僅可以減輕噴管質量，還能有效降低擺動力矩，節約加工成本，提高擺動噴管的可靠性。通過有限元仿真，分析了聚酰亞胺限位結構的熱應力及工作過程中相關零件的間隙，得到了聚酰亞胺限位結構在導彈發射及發動機點火建壓時刻的應力分布。結果表明，聚酰亞胺復合材料能夠滿足軸向限位功能的力學性能要求。非金屬限位結構的研究為擺動噴管結構簡化技術提供了技術參考。

聚酰亞胺復合材料；噴管；限位結構

隨著航天技術的快速發展，固體火箭發動機輕質化、低成本和高可靠性面臨著更大的挑戰。零、部組件的材料創新與應用成為當前技術發展的重要突破之一。聚酰亞胺作為一種先進的復合材料，具有高耐熱性、高耐低溫性、高強度、低膨脹系數以及優異的尺寸穩定性，被廣泛應用于軍工、信息、機械、化工和電子等領域[1]。據統計，美國在軍事、工業機械、民用航空和電子領域中，聚酰亞胺復合材料應用比例分別為20%、35%、20%和15%。例如，美國的2.4Ma超音速客機，飛行表面溫度為177 ℃，要求使用壽命為60 000 h，據報道已確定50%的結構材料是熱塑性聚酰亞胺為基體樹脂的碳纖維增強復合材料，每架飛機的用量約為30 t[2]。

目前，應用成熟的全軸擺動噴管軸向限位結構比較復雜，一般由支承塊、支承架、支承桿和鎖緊螺母等組成，結構選用鋼、鈦合金等材料。為了改善其結構復雜性，在噴管入口處設計一種聚酰亞胺復合材料螺紋結構進行軸向位置限定，和常用的機械式軸向限位裝置相比，減少了50～70個裝配零件，提高了噴管的可靠性，減輕了噴管質量。對于出口直徑約為500 mm的擺動噴管，減重效果達到了5%～8%；消除了由軸向限位裝置產生的摩擦力矩；降低了零件加工成本，縮短了噴管生產周期。

本文研究聚酰亞胺復合材料的制備工藝，介紹全軸擺動噴管軸向限位功能，分析聚酰亞胺限位結構的工作載荷以及導彈發射時的軸向沖擊力、發動機點火建壓及在發動機工作過程中的可靠性，為高強度復合材料在全軸擺動噴管軸向結構的試驗研究提供參考。

1 聚酰亞胺復合材料工藝研究

限位結構是將碳纖維與聚酰亞胺材料在高溫低壓下預壓合，纏繞成型，成型步驟如圖1所示。工藝參數見表1。

圖1 聚酰亞胺復合材料限位結構成型步驟

表1 聚酰亞胺復合材料限位結構模壓工藝

1)預熱階段：使模具及物料溫度升至300 ℃，同時在小壓力(0.05 MPa)作用下樹脂熔融后向纖維內部滲透；2)升溫階段：在12.0 MPa作用下，使樹脂進一步向纖維內部滲透；3)恒溫階段：保持升溫階段壓力不變，保持30 min，使制品進一步致密化。

聚酰亞胺的彈性模量僅次于碳纖維，具有良好的力學性能，可作為復合材料的增強相。碳纖維與聚酰亞胺材料復合模壓后性能見表2。

表2 聚酰亞胺復合材料性能

2 軸向限位功能及載荷分析

2.1 功能介紹

全軸擺動噴管以鋼球或球窩支承噴射載荷，用1道或3道密封圈密封高溫燃氣。其能在360°方向上提供側向控制力[3]。其需要進行軸向限位，從而保持活動體和固定體的相對軸向位置，以提供動密封圈初始壓縮率的壓緊力。對于機械式軸向限位裝置，主要是通過金屬零件之間的相互作用來實現；而新型聚酰亞胺復合材料限位結構采用非金屬螺紋聯接結構，設計合理的球面配合間隙，從而控制活動體與固定體的相對位移。

2.2 載荷分析

聚酰亞胺復合材料軸向限位結構受到的載荷見表3，主要包括彈體彈射時的軸向沖擊力、發動機點火建壓瞬間最大壓強與軸向力及發動機工作過程中的熱應力與過載沖擊作用。發動機點火建壓時間很短，因此，可以忽略噴管與燃燒室對接位置處的熱交換。

表3 載荷類型

3 聚酰亞胺限位結構仿真分析

在導彈發射與點火建壓時刻，暫不考慮沖擊加速度隨著導彈位置不同而變化的影響。對于全軸擺動噴管飛行時的可靠性，采用聯合安全系數法進行分析。

3.1 限位結構受軸向沖擊時的應力分析

噴管有時要承受沿軸向方向的沖擊，如導彈發射過程中的沖擊載荷。分析導彈發射時噴管活動體各零、部組件的受力情況時，為了簡化計算，對限位結構球面位置施加+60g均布載荷，等效應力如圖2所示，最大等效應力為200.97 MPa。結果表明，限位結構可以滿足噴管承受最大沖擊載荷的使用要求。

圖2 沖擊載荷時的等效應力分布

3.2 限位結構在點火建壓時的應力分析

在發動機點火瞬間，限位結構承受噴管活動體的慣性力(759.5 N)和燃燒室最大壓強(13.1 MPa)的綜合作用，等效應力如圖3所示，最大等效應力為64.94 MPa。結果表明，聚酰亞胺復合材料的強度能夠滿足使用要求。

圖3 發動機點火瞬間的應力分布

3.3 限位結構熱應力及間隙分析

采用熱-固耦合方法進行分析。為了簡化計算，假設：1)發動機穩態工作，燃氣的參數(壓強和溫度等)不隨時間而變化；2)噴管內壁在進行溫度場計算時，不計燒蝕；3)不考慮材料的機械剝蝕；4)不考慮輻射傳熱和顆粒接觸傳熱；5)噴管與外界環境絕熱；6)不考慮螺紋牙型的影響。限位結構等效熱應力云圖和變化曲線分別如圖4和圖5所示。在噴管工作過程中，限位結構的最大等效應力從158 MPa增大到243 MPa，最后下降到238 MPa，最大等效應力的極值點出現在9、10和11 s，最小安全系數f1為2.39。結果表明，聚酰亞胺復合材料的強度能夠滿足使用要求。

圖4 1、6、10和19 s時的等效熱應力云圖

圖5 限位結構最大等效熱應力變化曲線

在發動機工作過程中，噴管擺動間隙因熱膨脹而逐漸減小，為保證非金屬球面的結構完整性與噴管的可靠性，在限位結構與喉襯體球面留有一定的設計間隙(見圖6中A、B、C處)。

圖6 球面間隙位置

提取喉襯體與限位結構的配合球面處的位移變化，得出球面間隙變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著發動機工作時間的增加，喉襯體與聚酰亞胺結構件的間隙不斷減小；但在工作結束時，A、B和C處間隙均>0.1 mm，限位結構在工作過程中不會因為膨脹擠壓而失效，球面間隙設計滿足噴管使用要求。

圖7 球面間隙變化曲線

全軸擺動噴管受飛行過載作用，對軸向限位結構施加+30g軸向作用力，通過分析可知，最大等效應力為161.37 MPa，限位環的最小安全系數f2為3.6。

根據聯合安全系數法可得，在發動機飛行過程中，考慮熱應力與軸向過載的共同影響，限位結構的聯合安全系數：f=1.43>1，限位結構符合結構完整性要求。

4 結語

綜上所述，可以得出如下結論。

1)采用聚酰亞胺復合材料限位結構具有明顯優勢。對于出口直徑為500 mm的擺動噴管，減重效果達到了5%～8%，減少零件數量50～70個，降低了加工成本，縮短了生產周期，提高了擺動噴管的可靠性。

2)通過測試聚酰亞胺復合材料的力學性能，表明研究的制備工藝能夠滿足要求。

3)有限元分析結果表明，聚酰亞胺限位結構滿足擺動噴管在導彈發射、發動機點火和發動機工作過程中的使用要求。

聚酰亞胺復合材料在擺動噴管限位結構上的應用尚屬全新嘗試，還需大量的理論和試驗研究，輕質化、 高強度和耐燒蝕的復合材料在固體火箭發動機的應用將有不可替代的優勢。

[1] Shi J H, Chen Z Y, Qin Y J, et al. Multiwalled carbon nanotube microspheres from layer-by-layer assembly and calcination[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112(31):11617-11622.

[2] 張衍.新型聚酰亞胺合成及其復合材料研究[D]. 上海:華東理工大學,2013.

[3] 王錚.固體火箭發動機[M].北京：中國宇航出版社,1993.

責任編輯 鄭練

周文清，易黎明，邊 磊，崔建偉，朱 力

(中國航天科工集團第六研究院 四十一所，內蒙古 呼和浩特 010010)

Analysis on Application of Nozzle Restricted Structure of Polyimide Composite

ZHOU Wenqing, YI Liming, BIAN Lei, CUI Jianwei, ZHU Li

(The 41st Institute of No.6 Academy China Aerospace Science & Industry Corporation, Hohhot 010010, China)

The development of the light-weight assembly parts turns into an important technology of design and manufacturing for solid rocket motors (SEM). In order to meet the function requirements, mechanical properties and adaptability on new materials faces great challenges. A new-type polyimide composite structure is proposed to replace the metallic restricted device of ball-socket nozzle which not only reduces weight and shaking moment but also saves processing costs and enhances the nozzle’s reliability. The stress and clearance gaps which are between the correlative parts during SEM working, at the time of missile launch, and at the start and shut-down moment have been calculated by ANSYS. The results demonstrate that the polyimide composite structure can satisfy the proper requirement of the metallic restricted device. The study on non-metallic restricted structure could provide technical reference for further simplified structure of ball-socket nozzle.

polyimide composite, nozzle, restricted structure

周文清(1989-)，女，工程師，主要從事噴管設計等方面的研究。

2016-01-28

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