李金龍，虞健美，劉冬梅

（中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

發(fā)射器是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的重要組成部分。在導(dǎo)彈的制造、貯存、運(yùn)輸、便攜、使用等情況下，發(fā)射器一般具有四個(gè)方面的功能。首先是安裝鎖定導(dǎo)彈；第二是賦予導(dǎo)彈初始射向；第三是防護(hù)包裝導(dǎo)彈；第四是便攜背負(fù)導(dǎo)彈。國(guó)外輕型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射器身管，一般都采用玻璃纖維（GF）增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。我國(guó)的紅箭－8等導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，發(fā)射器身管采用了玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

碳纖維（CF）是一種高性能的纖維材料[1]，具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射等特性。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊和抗彈性強(qiáng)等優(yōu)異性能，廣泛用于交通運(yùn)輸、航空航天、兵器工業(yè)和工程防護(hù)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的諸多領(lǐng)域[2]。我國(guó)的PAN基碳纖維的用量很大[3]，用PAN基碳纖維研制小型導(dǎo)彈發(fā)射器身管，不但可以大大降低發(fā)射器乃至武器系統(tǒng)的重量，而且利用碳纖維的導(dǎo)電性能減小電磁波對(duì)導(dǎo)彈的干擾。

通常情況下，采用單一種類纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料發(fā)射器身管，雖各有其所長(zhǎng)，但在性能和實(shí)際應(yīng)用中，也都各有其短。玻璃纖維增強(qiáng)材料（GFRP）強(qiáng)度高，韌性好，但剛度不足。碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）強(qiáng)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(qiáng)方式，增強(qiáng)同一種樹脂基體組成復(fù)合材料，能夠取所長(zhǎng)，補(bǔ)其所短。可以在較廣泛的范圍滿足產(chǎn)品對(duì)復(fù)合材料性能的使用要求。為了彌補(bǔ)這一不足，采用低密度高模量的碳纖維（CF）與玻璃纖維（GF）混雜纏繞成混雜纖維復(fù)合材料（HY），以此成型發(fā)射器身管，來提高發(fā)射器的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊性要求。

1 發(fā)射器的性能要求和方案

某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)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(duì)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(duì)導(dǎo)彈具有足夠的鎖定強(qiáng)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(hào)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(zhǔn)。

基于上述要求，碳纖維／玻璃纖維混雜增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（HY）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(qiáng)度高、剛性好、便于生產(chǎn)的特點(diǎn)。

2 成型工藝

2.1 結(jié)構(gòu)與尺寸

a）采用碳纖維／玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料研制的導(dǎo)彈發(fā)射器，身管是發(fā)射器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。根據(jù)前期研究的試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)射器從內(nèi)表面到外表面的結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 發(fā)射器結(jié)構(gòu)層次

b）身管壁厚不大于2mm。

2.2 原材料

發(fā)射器身管采用濕法連續(xù)纖維纏繞成型技術(shù)，增強(qiáng)材料是240TEX的玻璃纖維無捻紗和12K的碳纖維無捻紗，樹脂系統(tǒng)為雙酚A環(huán)氧樹脂和液體酸酐體系。前后滑塊、前后筒口圈材料為2A12－T4鋁棒和鋁管，發(fā)射器的主要材料見表1。

表1 主要材料

2.3 身管成型條件

按照發(fā)射器的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求及纖維纏繞的特點(diǎn)，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(qiáng)度和剛度滿足綜合性能要求。身管成型條件見表2。

表2 發(fā)射器身管設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 身管強(qiáng)度計(jì)算

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(jìn)行發(fā)射器身管的強(qiáng)度計(jì)算。承受內(nèi)壓作用的纖維纏繞結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)格理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。計(jì)算公式如下，這里不進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

螺旋纏繞的軸向承壓力：

螺旋纏繞的徑向承壓分量：

環(huán)向纏繞的徑向承壓力：

3 試驗(yàn)

發(fā)射器的試驗(yàn)研究文中從實(shí)際應(yīng)用和材料特點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)介紹以下幾個(gè)方面。有關(guān)的電性能、結(jié)構(gòu)接口和環(huán)境適應(yīng)性不再贅述。

3.1 透濕率

發(fā)射器身管進(jìn)行了棚下暴露試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)發(fā)射器身管在暴露棚試驗(yàn)貯存條件下規(guī)定時(shí)間的透濕率。

試驗(yàn)站的地理位置和氣候類型見表3。

表3 試驗(yàn)站的地理位置和氣候類型

將身管樣品直接暴露于有頂棚遮蓋的大氣環(huán)境條件下，不直接接受太陽輻射和雨淋。用水泥臺(tái)架支撐樣品，離地面最低高度不小于0.2m，確保底部空氣流通。存放現(xiàn)場(chǎng)見圖2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

3.2 軸線彎曲

發(fā)射器的軸線彎曲試驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)發(fā)射器身管在距發(fā)射器前端10mm處，施加垂直于發(fā)射器軸線的作用力180N，發(fā)射器發(fā)生彎曲變形的程度。

圖2 棚下暴露存放現(xiàn)場(chǎng)

表4 透濕率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

彎曲變形量的試驗(yàn)方法采用加載變形的方法。試驗(yàn)設(shè)備包括剛性臺(tái)面、磁力表架、百分表、砝碼和導(dǎo)軌。將發(fā)射器與定發(fā)射裝置接，固定在剛性臺(tái)面上，使發(fā)射器成水平狀態(tài)，把百分表裝在表架上后固定在剛性臺(tái)面上，百分表的測(cè)頭接觸發(fā)射筒體口部，首先施加20N左右的預(yù)緊力（消除滑塊的間隙），把百分表表針調(diào)整為零，將180N的砝碼掛在發(fā)射器的口部10mm范圍內(nèi)，10s后讀取百分表數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 彎曲變形量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 鎖彈強(qiáng)度

發(fā)射器的鎖彈強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)發(fā)射器對(duì)導(dǎo)彈可靠鎖定能力。

鎖彈強(qiáng)度試驗(yàn)方法如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 鎖彈強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 鎖彈強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.4 密封性

發(fā)射器密封性試驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)發(fā)射器的密封性能。檢測(cè)正壓（干燥空氣）17±2kPa，負(fù)壓－10±2kPa，穩(wěn)定后保持5min壓差的變化情況。

密封性試驗(yàn)采用密封檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射器進(jìn)行正、負(fù)壓密封檢測(cè)。密封性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖4，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7、表8。

表7 正壓狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 負(fù)壓狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 密封性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.5 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)

在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料發(fā)射器研究期間，為某武器系統(tǒng)的控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)摸底試驗(yàn)、飛行器結(jié)構(gòu)改進(jìn)有控試驗(yàn)和無控噪聲測(cè)試試驗(yàn)、新型結(jié)構(gòu)傾斜穩(wěn)定回路試驗(yàn)、系統(tǒng)總體性能驗(yàn)證試驗(yàn)、有控試驗(yàn)和無控飛行試驗(yàn)、高原試驗(yàn)提供了發(fā)射器150余次。

4 結(jié)論

a）經(jīng)過綜合試驗(yàn)表明，采用碳纖維／玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究導(dǎo)彈發(fā)射器身管，發(fā)射器重量輕，強(qiáng)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。

b）碳纖維導(dǎo)彈發(fā)射器身管的透濕率、軸線變形、鎖彈強(qiáng)度、密封性能可以滿足導(dǎo)彈發(fā)射器的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還具有電磁屏蔽的作用。

c）研究中主要采用的是T700－12000－50PAN基碳纖維。為了未來生產(chǎn)材料的國(guó)產(chǎn)化，發(fā)射器研究中同時(shí)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)碳纖維的應(yīng)用研究工作。在不改變樹脂體系的情況下，發(fā)射器身管的增強(qiáng)材料選用了國(guó)產(chǎn)的ST300A－12KPAN基碳纖維。使用國(guó)產(chǎn)碳纖維的導(dǎo)彈發(fā)射器通過鑒定試驗(yàn)以及武器系統(tǒng)的無控試驗(yàn)和有控試驗(yàn)表明，國(guó)產(chǎn)碳纖維可以在發(fā)射器上應(yīng)用。

[1]聞?shì)督?復(fù)合材料原理[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1998.

[2]MALLICK P K.Fiber reinforced composites materials，manufacturing，and design[M].New York：CRC Press，2007.

[3]陳紹杰.碳纖維再聚焦[J].高科技纖維與應(yīng)用，2009（1）.