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碳纖維在軍工領(lǐng)域中的應(yīng)用——導(dǎo)彈篇

2022-12-21 14:52:17 作者：材料PLUS 來源：材料PLUS 分享至：

1. 前言

箱（筒）式發(fā)射技術(shù)是當(dāng)今世界上流行的、先進的發(fā)射裝置設(shè)計技術(shù)。因其能夠有效地提高導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的貯存可靠性，并具有全天候適應(yīng)能力及戰(zhàn)場快速反應(yīng)能力等優(yōu)點，被當(dāng)今各種陸基和艦載先進導(dǎo)彈武器系統(tǒng)采用。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的快速發(fā)展，對發(fā)射箱（筒）的體積、質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性等方面也提出更為嚴格的要求。由于復(fù)合材料具有高比強、高比模、結(jié)構(gòu)可設(shè)計等優(yōu)點，國內(nèi)外專家就復(fù)合材料在大截面、長尺寸的戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒應(yīng)用方面開展了大量的研究工作，并獲得了成功。

我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒也采用樹脂基復(fù)合材料，比鋁合金發(fā)射筒輕28%。發(fā)射筒采用纖維增強復(fù)合材料，可以很好地解決金屬結(jié)構(gòu)筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發(fā)展趨勢之一。

對于復(fù)合材料薄壁筒體，在滿足力學(xué)性能的同時，還應(yīng)滿足耐燒蝕、電磁屏蔽、耐環(huán)境等功能要求，因此必須充分注重其結(jié)構(gòu)、功能一體化鋪層設(shè)計。本文碳纖維增強復(fù)合材料發(fā)射筒筒體的材料設(shè)計，采用以碳纖維為增強體、環(huán)氧樹脂為基體制作筒體的復(fù)材結(jié)構(gòu)層，以鋼內(nèi)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。

圖1 碳纖維導(dǎo)彈發(fā)射筒

2. 碳纖維導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋

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(jù)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(fù)合材料，能夠取所長，補其所短。可以在較廣泛的范圍滿足產(chǎn)品對復(fù)合材料性能的使用要求，以此成型發(fā)射器身管，來提高發(fā)射器的強度、剛度和抗沖擊性要求。

導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的作用是：導(dǎo)彈正常貯存時保護彈頭避免受到外界損傷并防止發(fā)射箱內(nèi)的惰性氣體外泄，導(dǎo)彈發(fā)射時箱蓋能夠及時打開不影響導(dǎo)彈正常發(fā)射，由于傳統(tǒng)的發(fā)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(yīng)時間慢、質(zhì)量大和維修費用高等缺點，不利于導(dǎo)彈部隊快速作戰(zhàn)要求。

鑒于碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強和可設(shè)計性強等特點，碳纖維復(fù)合材料發(fā)射箱蓋正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射箱蓋，而利用發(fā)動機噴出的燃氣流造成壓力實現(xiàn)自動開蓋的開蓋方式憑借其高效、可靠和安全的優(yōu)點被大規(guī)模推廣應(yīng)用。

選用碳纖維復(fù)合材料用作導(dǎo)彈發(fā)射箱箱蓋的特點：選擇環(huán)氧乙烯基酯類樹脂兼具環(huán)氧樹脂強度高和不飽和聚酯樹脂工藝性好的特點，用環(huán)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(fù)合材料既具有優(yōu)良的綜合機械力學(xué)性能，又具有良好的耐高溫性和耐候性以及較高的尺寸穩(wěn)定性。

在導(dǎo)彈發(fā)射時，傳統(tǒng)的機械打開蓋與爆破蓋有重量大、打開反應(yīng)時間慢和維修費用高等缺陷，鑒于碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強、抗腐蝕等優(yōu)點，采用復(fù)合材料發(fā)射箱蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射箱蓋可以解決這些問題。

采用碳纖維增強復(fù)合材料制造發(fā)射箱箱體，可以很好的解決金屬結(jié)構(gòu)箱體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等諸多問題。采用復(fù)合材料制造發(fā)射箱，可以將結(jié)構(gòu)做得非常簡單、緊湊，使彈箱質(zhì)量比遠小于1，同時提高了導(dǎo)彈貯存和運輸效率，相比金屬材料有更高的設(shè)計自由度。

3. 便攜式導(dǎo)彈發(fā)射器

碳纖維復(fù)合材料便攜式導(dǎo)彈發(fā)射器主要用于單兵便攜作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，攜帶重量輕。對發(fā)射器的主要性能要求是：

a）導(dǎo)彈采用的是筒式發(fā)射方式，發(fā)射器必須是薄壁圓筒形截面結(jié)構(gòu)。

b）發(fā)射器的重量為系統(tǒng)重量的1/6。

c）要求身管對導(dǎo)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(fā)射器，導(dǎo)彈，安全鎖，一、二號電氣接插件，壓力調(diào)接閥，閉氣膜，呼吸膜，前、后密封緩沖組件等組合構(gòu)成武器系統(tǒng)。發(fā)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(fù)合材料是發(fā)射器身管材料的首選方案。這樣的身管方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強度高、剛性好、便于生產(chǎn)的特點。

按照發(fā)射器的強度和結(jié)構(gòu)要求及纖維纏繞的特點，身管的結(jié)構(gòu)采用螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式，以便發(fā)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(huán)向纏繞角度為 90°，螺旋循環(huán)數(shù)為 96 次，根據(jù)確定的螺旋纏繞角、纏繞方式、纏繞順序以及螺旋和環(huán)向纏繞層數(shù)進行發(fā)射器身管的強度計算。

采用碳纖維/玻璃纖維增強復(fù)合材料研究導(dǎo)彈發(fā)射器身管，發(fā)射器重量輕，強度高，剛性好。碳纖維是彈箭復(fù)合材料發(fā)射器輕量化研究的首選材料之一。碳纖維導(dǎo)彈發(fā)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(dǎo)彈發(fā)射器的設(shè)計要求，同時還具有電磁屏蔽的作用。發(fā)射簡采用纖維增強復(fù)合材料，可以很好地解決金屬結(jié)構(gòu)筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發(fā)展趨勢之一。

發(fā)射筒筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要根據(jù)導(dǎo)彈外形結(jié)構(gòu)、彈翼分布、導(dǎo)彈在筒內(nèi)的支撐與導(dǎo)向方式以及其他使用要求進行。筒體截面形狀為圓形，發(fā)射筒內(nèi)壁需能耐受高溫燃氣流沖刷和多次使用要求，筒內(nèi)壁選用了金屬內(nèi)襯，外層承載結(jié)構(gòu)采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，考慮到筒前端受到較大的沖擊載荷，發(fā)射筒前、后法蘭選用高強鋁合金，筒體設(shè)計有前、后吊裝箍，保證發(fā)射筒的起吊和放置，吊裝箍為高強鋁合金材料。發(fā)射筒筒體由金屬內(nèi)襯、復(fù)材結(jié)構(gòu)層、前法蘭、后法蘭、環(huán)筋、前吊裝箍、后吊裝箍等組成。

復(fù)合材料發(fā)射筒以鋼內(nèi)襯為芯模，外纏碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)層，在一定溫度下高溫固化成型。復(fù)合材料發(fā)射筒采用自動化設(shè)備連續(xù)纖維成型工藝簡便且材料制造和制品成型同時完成，體現(xiàn)了復(fù)合材料制品的材料、設(shè)計和制造三者間的密切關(guān)系。

4. 超輕型迫擊炮

M3“卡爾·古斯塔夫”在戰(zhàn)場上的優(yōu)異表現(xiàn)，美國陸軍決定大規(guī)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(fù)合材料(減重0.8KG)，通過重新設(shè)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(nèi)。

超輕型迫擊炮研制時間也是從2015年就已經(jīng)開始，正好與某超輕型120毫米迫擊炮的總設(shè)計師講述的“2015年我又擔(dān)任了輕120迫擊炮的總設(shè)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(dǎo)彈與宇航公司已用碳纖維復(fù)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(nèi)部采用Ni?或者鈦合金炮鋼材料做內(nèi)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?zé)茊栴}，也便于分成兩節(jié)。