復合材料技術在輕質導彈發射筒中的應用

何江軍

摘 要： 針對導彈發射筒的結構和使用特點，將復合材料應用于發射筒設計中，分析了復合材料的應用對發射筒質量和使用性能的影響。研究表明：復合材料的使用可以使導彈發射筒質量減輕至少30%，而性能仍滿足使用要求。

關鍵詞： 輕質；導彈發射筒；復合材料

1前言

近年來，近程防御武器系統逐步成為業內研究的熱點，而研制易于便捷快速完成筒彈換裝的輕質導彈發射筒也成為了其中的一項重要課題。目前，復合材料技術在導彈發射筒領域的應用多見于預先研究領域，正式型號應用較少。與常規金屬材料相比，復合材料具有比強度高、比模量高、質量輕、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優點，能夠使導彈發射筒減重30%左右，可匹配導彈發射筒輕質化的需求。

為使減重效果比較明顯，導彈發射筒應用復合材料的部件主要是筒體、前后蓋和導向裝置。導彈發射筒筒體既是支撐導彈彈體的容器，又承受導彈貯存、運輸、發射等過程中的內外載荷，還要為發射筒其他組成部分提供安裝平臺和定位基準。導向裝置在導彈發射前限制導彈周向轉動，在導彈發射時提供導彈按預定初始彈道飛行的條件。因此，筒體和導向裝置的剛強度指標是衡量發射筒設計水平的首要指標，同時兼顧保證其精度指標。

本文將復合材料應用于導彈發射筒筒體、易碎蓋和導向裝置設計中，分析復合材料的使用對發射筒結構和性能的影響。

2設計理論

2.1纖維纏繞的網格分析

纖維纏繞基本線型有螺旋纏繞、環向纏繞、平面纏繞、縱向纏繞四類，所組成的常用網格又可分為單一螺旋纏繞、螺旋加環向纏繞、螺旋加縱向纏繞、環向加縱向纏繞四類。

考慮工藝的可實現性，本文的發射筒筒體采用如圖1所示的螺旋加環向纏繞制成。螺旋加環向纖維纏繞圓筒在網格意義下的縱向和環向內力分別為

…….………………………….（1）

式中，α為螺旋纏繞角，θ即纖維與發射筒筒體軸線的夾角；為環向纏繞角，取值為π/2；σα和σθ分別表示螺旋和環向纏繞纖維應力；hα和σθ分別表示螺旋和環向纏繞纖維厚度。

圖1 螺旋加環向纏繞的網格單元

按照薄膜理論，發射筒筒體在導彈重力和法向過載的作用下，其軸向和環向內力分別為

…….………………………………….（2）

式中，R為筒體半徑；P為筒體內壁承受的最大壓強。

纖維纏繞筒體在網格意義上處于平衡時，有TZ=NZ，Tθ=Nθ。于是螺旋加環向纖維纏繞筒體在網格意義下的平衡方程為

…….…………………….（3）

在平衡型應變狀態下，考慮螺旋和環向纖維采用同一種纖維，于是有σα=σθ=σ。式（3）變為：

…….…………………….（4）

將（4）中的兩式相除，可得螺旋加環向纏繞網格的平衡條件為

…….……………………...（5）

其中 為環向纖維與螺旋厚度之比。式（5）解算可得

，由于λθα為厚度值，不能為負數，故 ，即α≤54.7°。

設纖維的斷裂應力為σb，設計爆破壓強為Pb，由式（4）可以得出螺旋纏繞纖維和環向纏繞纖維的厚度分別為

………….……………………...（6）

2.2經典層壓板理論的基本假設

本文的導向裝置采用層壓結構，經典層壓結構有如下基本假設：

（1）假定層壓板的厚度與其他方向的尺寸相比較小；

（2）直法線假設：假定層壓板未受載前垂直于中面的法線變形后仍垂直于中面，即層間無滑移；

（3）等法線假設：假定層壓板中面的法線變形后長度不變，因而垂直于中面的應變可以忽略不計。

3復合材料發射筒設計

在某導彈發射筒設計中，將復合材料技術主要應用在筒體、前后蓋和導向裝置上，其中，筒體采用T300碳纖維復合材料纏繞成型，前后蓋采用聚氨酯泡和樹脂基玻璃纖維夾層結構，導向裝置采用玻璃纖維鋪層成型再與筒體內表面二次膠接。發射筒內部采用適配器支撐導彈，為便于研究，將發射筒假定為壓力容器進行研究，與滑動適配器接觸的發射筒內表面承壓最大。

根據工藝條件限制，設計筒體螺旋纏繞角為45°。考慮發射筒運輸過載、導彈燃氣流沖擊等情況，發射筒設計爆破壓強為20MPa，按式（6）進行計算，可得螺旋纏繞纖維厚度約為0.5mm，環向纏繞纖維厚度約為0.25mm。為了獲得較好的壓縮性能，纖維纏繞時會添加基體環氧樹脂，添加后復合材料筒體的密度為1.43g/cm3。由樹脂及碳纖維的密度可知樹脂基體的體積含量約為62%，纖維體積含量為38%，筒體的復合壁厚為hc=kf（hα+hθ），其中kf=1/Vf=1/0.38=2.6，則圓筒體的復合壁厚為1.95mm，考慮到纖維纏繞成型時，一般都存在纖維堆積和空隙等現象，所以實際壁厚往往比計算厚度厚約5%，取圓筒體的壁厚2.1mm。

發射筒前后蓋設計為復合材料泡沫夾層結構，以高模量、高強度的玻璃纖維層壓板作為夾層結構上下面板承擔彎曲載荷，利用密度較強的聚氨酯泡沫作為芯子部分起支撐面板和抗剪作用。玻璃纖維層壓板厚度為0.2mm，聚氨酯泡沫夾芯厚度為5mm，為保證蓋體平面各方向性能一致，上下面板的玻璃纖維層壓板采用準各向同性鋪層方式。導向裝置呈細長條狀，采用玻璃纖維鋪層成型，同時需保證導向面的平面度，成型后通過二次膠接的形式固定在筒體內表面正上方。

4結構分析

根據復合材料發射筒設計結果，相對于等厚度的鋁合金材料發射筒，發射筒減重超過30%。對復合材料發射筒進行力學分析，在三個方向的過載下，擇取對發射筒性能影響較大的靜變形分析結果如表2所示。根據靜變形分析結果，復合材料發射筒的靜變形量在允許范圍內，能滿足發射筒正常使用要求。

表2 復合材料結構和鋁合金結構的靜變形比較

5結論

將復合材料應用于某輕質導彈發射筒設計中，研究表明：與鋁合金材料發射筒比較，發射筒質量可減輕至少30%，而性能仍可滿足使用要求。

參考文獻

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