固體火箭發動機防熱涂層產品型譜構建與選型

羅江鳳、魚穎、張光春、張利軍、郭飛鴿 /西安航天化學動力有限公司

外防熱涂層是固體火箭發動機研制的關鍵材料，其性能與可靠性是新型航天裝備發動機先進性與可靠性的決定因素之一。隨著高性能武器裝備飛行速度的提高，飛行器殼體外表面氣動加熱問題愈加嚴重，由于固體發動機殼體一般采用薄壁高強鋼或纖維復合材料等制成，當環境溫度超過殼體材料本身的使用溫度時，殼體的承載性能急劇下降，可直接導致飛行失敗。所以，高性能武器裝備發動機殼體外表面需涂覆外防熱涂層材料來保護發動機殼體。

目前，高性能武器型號發動機大多采用涂層進行熱防護，涂層防熱法具有成本低、工藝簡單、消極質量小、熱防護效率較高等特點，廣泛應用于飛行Ma3 ～9的飛行器氣動熱防護。涂層防熱是燒蝕型防熱的一種，防熱效果從本質上受制于材料的熱解過程。由于高速氣流對涂層和結構產生的氣動熱燒蝕，不但與材料的本身性能有關，也與特定氣動環境有關的物理和化學綜合效應相關。因此，只有材料和氣動熱環境合理配合，使其在此環境下發生理想的反應，吸收或帶走熱量，才能設計出有效的防熱涂層材料。

筆者分析了涂層產品需求特點，并基于西安航天化學動力有限公司研制的系列防熱涂層的配方特點、性能水平、主要功能以及應用經驗，對外防熱涂層產品進行了型譜構建，從而有利于選型統型。

一、涂層產品需求分析

外防護涂層是發動機消極質量的一部分，這就決定了外防熱涂層的發展趨勢必然是追求更低的密度和更好的燒蝕性能，同時具有優異的綜合性能，有的背景型號發動機還要求外防護涂層具有耐燒蝕、電磁屏蔽、吸波透波、抗激光等功能。防熱材料基體主要有硅樹脂、硅橡膠、環氧改性聚氨酯樹脂、環氧樹脂、氯磺化聚乙烯等，填料主要包括酚醛微球、二氧化硅、玻璃空心微球等，一般都具有較低的密度以及較高的防熱效率。

隨著新一代高性能武器裝備發動機飛行速度、機動性的不斷提高，發動機殼體承受的溫度和載荷將不斷提高。而且隨著航天裝備射程的增加，發動機工作時間將會不斷增加，熱氣流溫度不斷升高，熱沖刷將變得更為劇烈。為了保證發動機正常工作，在進行發動機設計時，對固體火箭發動機外防熱材料提出了更高的技術要求。

在設計指標方面，對外防熱涂層主要提出了密度、力學性能、粘接性能、防熱性能、熱物理性能及老化性能要求。新一代高性能航天裝備發動機的飛行環境具有長時間、高熱流的特點，所以要求外防熱涂層具有良好的隔熱抗沖刷能力，也就是較低的密度和良好的成炭性能。

二、涂層產品現狀

公司自主研發了包括TI552系列、TI554 系列等硅基，TI588、TI591 等聚氨酯環氧基，共計10 余個品種的外防熱涂層材料及配套材料。TI 系列外防熱涂層材料密度靈活可調（0.45 g/cm～ 1.35 g/cm），力學性能（拉伸強度≥1.50MPa）優異，適應鋼、復合殼體、鋁、鈦合金等不同殼體基材的粘接，且性能可靠，可以滿足不同熱流工況對于高效隔熱、耐燒蝕抗沖刷防熱性能的需求，并且抗老化性能良好（加速老化＞17a）。

基于密度、耐燒蝕性能以及應用工況差異，將外防熱涂層材料分為高效隔熱型、耐燒蝕抗沖刷型、抗激光及其他功能型3種類型。高效隔熱型包括TI554系列涂層，耐燒蝕抗沖刷型包括TI552 系列、TI557、TI559 涂層，抗激光及其他功能型包括TI551A、TI556、TI588、TI591、TI594 等涂層。

三、涂層產品型譜的構建

1.確定型譜特征參數

根據固體火箭發動機對防熱涂層的性能要求以及防熱涂層的主要功能和性能，將以下參數確定為外防熱涂層型譜特征參數。

（1）基材種類：可以顯著區別不同的防熱涂層所用基材。

（2）密度大?。焊鶕罒嵬繉赢a品的密度大小進行區分。

（3）涂層功能：根據防熱涂層的涂層功能進行劃分。

（4）特征代號：根據防熱涂層的研制序號及改進序號制定相應的特征代號。

2.分析產品型譜規格

根據發動機對防熱涂層的需求和分析確定的產品型譜特征，按照防熱涂層產品基體種類、密度大小、防熱涂層成型工藝及特殊性能等進行規格劃分。

（1）基體種類劃分：按照防熱涂層的基體樹脂類型分為U 型（聚氨酯）、S 型（硅橡膠）、E 型（環氧）。

（2） 密度大小劃分： 按照防熱涂層密度大小可分為

ρ

≤0.65g/cm（超低密度）、0.65g/cm＜

ρ

≤0.8g/cm（低密度）、0.8g/cm＜

ρ

≤1.0g/cm（常規密度）、1.0g/cm＜

ρ

≤1.35g/cm（可接受密度）。

（3）特征代號劃分：根據防熱涂層的研制序號及改進序號對防熱涂層產品進行區分。

主要以產品基材類型作為防熱涂層型譜規格劃分的依據，在同一基材類型系列下，依據防熱涂層密度大小進行劃分，對于密度大小相同或相近的產品進行優化合并，做到產品型譜不重復，不同規格產品之間有明顯的差異。

3.產品樹構建

根據確定的防熱涂層產品型譜參數，構建防熱涂層產品樹，如圖1 所示。

圖1 防熱涂層產品型譜樹

4.產品名稱和代號編制說明

嚴格依據《宇航產品型譜編制指南》進行涂層代號編制，具體代號組成如圖2 所示。

圖2 防熱涂層型譜代號組成

涂層型譜代號采用以下格式：

（1）第1 ～2 位：TI-涂層；

（2）第3 位：分隔符；

（3）第4 位：基材類型，其中，U-聚氨酯、S-硅橡膠、E-環氧；

（4）第5 位：分隔符；

（5）第6 ～9 位：密度等級，其中，0.65-較低、0.08-低、1.0-常規、1.20-可接受，單位為g/cm；

（6）第10 位：分隔符；

（7）第11 ～12 位：成型工藝，PT-噴涂、ST-刷涂；

（8）第13 位：分隔符；

（9）第14 ～16 位：涂層設計序號，101、102……；

（10）第17 位：分隔符；

（11）第18位：涂層改進序號，A、B、C。

示例說明：如TI-S-0.88-PT-552-B 表示密度≤0.88g/cm，可進行噴涂的設計序號為552 的第2 次改進的硅橡膠類涂層。

5.產品型譜表

公司研發的外防熱涂層型譜見表1。

表1 外防熱涂層型譜表

從表1 可以看出，從型譜代號可以迅速判斷涂層基體種類、密度大小、防熱涂層成型工藝，通過涂層型譜構建，加快了涂層選型及發動機設計進度，提升了型號研制能力。

四、型譜化工作應用效果

對于熱流密度不大、隔熱要求高的環境，可選用高效隔熱型TI554 系列涂層，TI554 系列涂層囊括不同涂層密度段，更有利于針對型號技術要求快速選型，區別于以往隨發動機型號而新研制涂層的模式。

對于防熱、抗沖刷要求高的熱流環境，可選用耐燒蝕抗沖刷型涂層，其中TI552B 涂層已應用于多種型號發動機，其密度不高，并且已形成院級標準，可直接選用，更有利于加快研制進度。對涂層材料還有更低密度要求的情況，可選用TI557、TI559 涂層。耐燒蝕抗沖刷型涂層的研制有一定難度，目前耐燒蝕抗沖刷型涂層材料可覆蓋中高熱流密度工況，因此非常有利于高性能發動機對涂層材料快速選用，研制進度提升明顯。

對于兵器及其他非航天系統單位，基于應用工況以及成本控制，可選用TI594 低成本涂層、TI588、TI591 聚氨酯涂層。

公司通過外防熱涂層產品化工作，極大地促進了產品大批量成組生產，消除了以往多品種、小批量、多批次生產及檢驗的不利局面，產品質量和成熟度穩定提升，產品生產效率提升了200%。外防熱涂層的產品化工作及思路可有效用于新型材料的開發，加速開發進程，明確開發方向，起到示范引領作用。針對研制的系列防熱涂層配方特點、性能水平、主要功能以及應用經驗，將涂層分為高效隔熱型、耐燒蝕抗沖刷型、抗激光及其他阻燃防熱涂層類型，并對外防熱涂層產品進行了型譜構建，更有利于快速選型，加速發動機研究進程。