碳纖維在軍工領域中的應用——導彈篇
2022-12-21 14:52:17
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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箱（筒）式發射技術是當今世界上流行的、先進的發射裝置設計技術。因其能夠有效地提高導彈武器系統的貯存可靠性，并具有全天候適應能力及戰場快速反應能力等優點，被當今各種陸基和艦載先進導彈武器系統采用。隨著導彈技術的快速發展，對發射箱（筒）的體積、質量、環境適應性等方面也提出更為嚴格的要求。由于復合材料具有高比強、高比模、結構可設計等優點，國內外專家就復合材料在大截面、長尺寸的戰略導彈發射筒應用方面開展了大量的研究工作，并獲得了成功。我國戰略導彈發射筒也采用樹脂基復合材料，比鋁合金發射筒輕28%。發射筒采用纖維增強復合材料，可以很好地解決金屬結構筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發展趨勢之一。對于復合材料薄壁筒體，在滿足力學性能的同時，還應滿足耐燒蝕、電磁屏蔽、耐環境等功能要求，因此必須充分注重其結構、功能一體化鋪層設計。本文碳纖維增強復合材料發射筒筒體的材料設計，采用以碳纖維為增強體、環氧樹脂為基體制作筒體的復材結構層，以鋼內襯作為耐燒蝕層和屏蔽層，法蘭、吊裝箍等輔件采用高強鋁合金材料。通常情況下，玻璃纖維增強材料強度高，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，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。
- 導彈發射箱蓋的作用是：導彈正常貯存時保護彈頭避免受到外界損傷并防止發射箱內的惰性氣體外泄，導彈發射時箱蓋能夠及時打開不影響導彈正常發射，由于傳統的發射箱蓋常采用機械打開蓋或爆破蓋這兩種形式的蓋體不同程度上都具有打開反應時間慢、質量大和維修費用高等缺點，不利于導彈部隊快速作戰要求。
鑒于碳纖維復合材料輕質高強和可設計性強等特點，碳纖維復合材料發射箱蓋正在逐漸代替傳統發射箱蓋，而利用發動機噴出的燃氣流造成壓力實現自動開蓋的開蓋方式憑借其高效、可靠和安全的優點被大規模推廣應用。
- 選用碳纖維復合材料用作導彈發射箱箱蓋的特點：選擇環氧乙烯基酯類樹脂兼具環氧樹脂強度高和不飽和聚酯樹脂工藝性好的特點，用環氧乙烯基酯做樹脂、碳纖維做增強材料制造的碳纖維增強復合材料既具有優良的綜合機械力學性能，又具有良好的耐高溫性和耐候性以及較高的尺寸穩定性。
在導彈發射時，傳統的機械打開蓋與爆破蓋有重量大、打開反應時間慢和維修費用高等缺陷，鑒于碳纖維復合材料輕質高強、抗腐蝕等優點，采用復合材料發射箱蓋代替傳統發射箱蓋可以解決這些問題。采用碳纖維增強復合材料制造發射箱箱體，可以很好的解決金屬結構箱體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等諸多問題。采用復合材料制造發射箱，可以將結構做得非常簡單、緊湊，使彈箱質量比遠小于1，同時提高了導彈貯存和運輸效率，相比金屬材料有更高的設計自由度。碳纖維復合材料便攜式導彈發射器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。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/玻璃纖維增強樹脂基復合材料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。 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。管身螺旋纏繞角度為35°，環向纏繞角度為 90°，螺旋循環數為 96 次，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。 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。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。發射簡采用纖維增強復合材料，可以很好地解決金屬結構筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發展趨勢之一。 發射筒筒體結構設計主要根據導彈外形結構、彈翼分布、導彈在筒內的支撐與導向方式以及其他使用要求進行。筒體截面形狀為圓形，發射筒內壁需能耐受高溫燃氣流沖刷和多次使用要求，筒內壁選用了金屬內襯，外層承載結構采用碳纖維/環氧樹脂復合材料，考慮到筒前端受到較大的沖擊載荷，發射筒前、后法蘭選用高強鋁合金，筒體設計有前、后吊裝箍，保證發射筒的起吊和放置，吊裝箍為高強鋁合金材料。發射筒筒體由金屬內襯、復材結構層、前法蘭、后法蘭、環筋、前吊裝箍、后吊裝箍等組成。復合材料發射筒以鋼內襯為芯模，外纏碳纖維/環氧樹脂復合材料為結構層，在一定溫度下高溫固化成型。復合材料發射筒采用自動化設備連續纖維成型工藝簡便且材料制造和制品成型同時完成，體現了復合材料制品的材料、設計和制造三者間的密切關系。 M3“卡爾·古斯塔夫”在戰場上的優異表現，美國陸軍決定大規模采購裝備這一瑞典制武器。2014年，瑞典薩博公司推出了M4新型反坦克火箭，M4重6.7KG，較卡爾·古斯塔夫M3輕約3KG，外殼采用碳纖維復合材料(減重0.8KG)，通過重新設計文丘里管使火箭炮減重0.9千克，M4的總長度減到了1米以內。超輕型迫擊炮研制時間也是從2015年就已經開始，正好與某超輕型120毫米迫擊炮的總設計師講述的“2015年我又擔任了輕120迫擊炮的總設計師”相吻合，估計其定型名稱或許可能叫15式“輕120迫擊炮”，從目前公開的信息，此迫擊炮與美國洛克希德導彈與宇航公司已用碳纖維復合材料制造了一種120毫米迫擊炮管一樣，高性能碳纖維用作迫擊炮身管外部增強層纏繞，內部采用Ni?或者鈦合金炮鋼材料做內襯（未來有可能使用更輕的M46碳纖維方案），既大大降低了重量，又避免了完全使用碳纖維的引起的高溫燒灼問題，也便于分成兩節。
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