趙敏、李斌、呂曉、袁洪波 /湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作時(shí)要承受3000K以上的高溫和3～20MPa 甚至更高的內(nèi)壓作用，隨著新型高能推進(jìn)劑的使用和高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，溫度和壓力還將進(jìn)一步提高。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能以外，還需考慮熱防護(hù)以防止燃燒室殼體被燃?xì)鉄龎?，或因過熱而降低殼體強(qiáng)度并危及結(jié)構(gòu)完整性，燃燒室的熱防護(hù)通常采用在殼體內(nèi)壁粘貼絕熱層的辦法解決。

絕熱層是一層位于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面的非金屬隔熱防護(hù)材料，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的具體位置見圖1。其主要功能是通過自身不斷吸熱分解、燒蝕帶走大部分熱量以緩解高溫燃?xì)鉄崃肯驓んw的傳遞速度，避免殼體達(dá)到危及其結(jié)構(gòu)完整性的溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。此外，絕熱層還有緩沖應(yīng)力傳遞、限燃、密封等重要輔助作用。湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所從事絕熱層研制工作已有40 年的歷史，研制的三元乙丙EPDM（ethylene propylene diene monomer）系列絕熱層已在多種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、宇航固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中得到成功應(yīng)用。

圖1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

在航天型號(hào)高密度發(fā)射、多型號(hào)并舉、質(zhì)量可靠性要求高的發(fā)展形勢下，中國航天科技集團(tuán)有限公司提出了科研生產(chǎn)模式由單一的“以型號(hào)研制任務(wù)牽引”模式向主要基于“成熟產(chǎn)品選用”的系統(tǒng)集成研制模式轉(zhuǎn)變的發(fā)展戰(zhàn)略。研究所嚴(yán)格落實(shí)航天科技集團(tuán)產(chǎn)品化發(fā)展戰(zhàn)略部署，為適應(yīng)航天發(fā)展高質(zhì)量、高效率、高效益的新形勢與新要求，提出了以絕熱層產(chǎn)品為試點(diǎn)，開展絕熱層型譜研究，統(tǒng)一規(guī)劃產(chǎn)品體系，壓縮產(chǎn)品種類，形成通用貨架產(chǎn)品的發(fā)展思路，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量管理、產(chǎn)品定型和應(yīng)用等過程進(jìn)行優(yōu)化，以滿足小子樣研制條件下的產(chǎn)品高性能、高可靠、高質(zhì)量要求的綜合性工程技術(shù)與管理模式，通過產(chǎn)品化工作的開展，打造批量化重復(fù)穩(wěn)定生產(chǎn)的通用貨架產(chǎn)品。

一、EPDM絕熱層產(chǎn)品化工作

1.EPDM 絕熱層產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)梳理

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層產(chǎn)品在充分考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性、工藝性以及滿足基本需求的基礎(chǔ)上制定，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工作環(huán)境的不同，形成了通用型絕熱層、低密度絕熱層和抗過載及長時(shí)間燒蝕絕熱層三大系列化產(chǎn)品。研究所對(duì)絕熱層產(chǎn)品化工作進(jìn)行了詳細(xì)策劃，對(duì)現(xiàn)有絕熱層牌號(hào)進(jìn)行歸納整理，對(duì)應(yīng)用廣泛的EPDM 絕熱層技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行梳理，對(duì)絕熱層的密度、燒蝕率、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、凈斷裂強(qiáng)度、條件斷裂強(qiáng)度等主要性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，整理出技術(shù)指標(biāo)要求、各牌號(hào)EPDM 絕熱層性能水平、應(yīng)用范圍，深入開展了EPDM 絕熱層型譜建設(shè)工作，進(jìn)一步規(guī)范了產(chǎn)品型譜建設(shè)和管理。

目前在用的EPDM 絕熱層主要包含TI113、TI113A、TI117 等一系列產(chǎn)品，其中，TI113 絕熱層在多個(gè)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，產(chǎn)品成熟度不斷提升；TI117 絕熱層是在TI113 絕熱層基礎(chǔ)上研制的，充分繼承了TI113 絕熱層研制、應(yīng)用和可靠性研究成果，已在多個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，各批次產(chǎn)品性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求并通過了設(shè)計(jì)鑒定，為后續(xù)型號(hào)選用奠定了基礎(chǔ)；TI113A 絕熱層實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵原材料的國產(chǎn)化替代工作并已經(jīng)在型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了成功應(yīng)用；其他牌號(hào)的絕熱層也根據(jù)自身的性能特點(diǎn)在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多批次的應(yīng)用并取得了良好的效果。

2.EPDM 絕熱層使用過程中存在的問題

由于各型號(hào)使用要求及研制背景的差異，在具體使用時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位結(jié)合自身的工作特點(diǎn)對(duì)絕熱層的性能指標(biāo)要求略有差異，分別針對(duì)絕熱層提出了不同的技術(shù)指標(biāo)，但這種性能差異較小，如果針對(duì)每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)分別進(jìn)行研制，即增加了絕熱層材料研制單位的研制工作量和生產(chǎn)控制難度，又增加了絕熱層產(chǎn)品種類和絕熱層牌號(hào)，形成多品種小批量的不利發(fā)展趨勢，同時(shí)為產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)帶來了很大阻力，性能控制也存在管理隱患。

3.EPDM 絕熱層指標(biāo)差異問題解決措施

針對(duì)EPDM 絕熱層的指標(biāo)差異問題，研究所為進(jìn)一步規(guī)范型號(hào)原材料選用控制流程，避免個(gè)體差異帶來的產(chǎn)品質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)，綜合各型號(hào)的使用、驗(yàn)證情況，與固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所共同制定了《EPDM 絕熱層產(chǎn)品化協(xié)同推進(jìn)協(xié)議》，聯(lián)合開展EPDM 絕熱層產(chǎn)品型譜建設(shè)，共同針對(duì)絕熱層在各型號(hào)使用過程中技術(shù)指標(biāo)差異進(jìn)行了分析，梳理出存在的問題，進(jìn)一步統(tǒng)一各型號(hào)的技術(shù)指標(biāo)和使用范圍，規(guī)范了產(chǎn)品型譜的建設(shè)和管理，提高了該系列產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

在EPDM 絕熱層材料研發(fā)、生產(chǎn)過程中，按照絕熱層研制程序開展各階段研究工作，以型號(hào)需求為牽引，依托型號(hào)研制實(shí)現(xiàn)絕熱層材料應(yīng)用考核驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)既依托型號(hào)研制又不依賴型號(hào)研制的目標(biāo)，以達(dá)到通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。在絕熱層的研制生產(chǎn)過程管理、絕熱層數(shù)據(jù)包管理、質(zhì)量和驗(yàn)收管理等方面均以絕熱層產(chǎn)品規(guī)范、工藝文件和質(zhì)量保證大綱為依據(jù)，逐步脫離各型號(hào)要求的差異性，實(shí)現(xiàn)去型號(hào)化組批生產(chǎn)。在型號(hào)選用絕熱層品種時(shí)，根據(jù)型號(hào)研制需求在絕熱層型譜中選擇合適牌號(hào)即可。

目前絕熱層型譜已納入航天動(dòng)力技術(shù)研究院零部件級(jí)重點(diǎn)產(chǎn)品型譜簡表中，形成了產(chǎn)品規(guī)范，顯著提升生產(chǎn)能力和質(zhì)量穩(wěn)定性，形成產(chǎn)品資源，提高市場競爭力，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制時(shí)對(duì)EPDM絕熱層型譜產(chǎn)品的選用。

二、絕熱層型譜建設(shè)方案

1.絕熱層產(chǎn)品型譜化研究

（1）產(chǎn)品化實(shí)施層面的共用技術(shù)

絕熱層的產(chǎn)品化在不同層面有著不同的工作內(nèi)容和實(shí)施特點(diǎn)，按照原材料、配方組成和測試試驗(yàn)技術(shù)3 個(gè)層面分級(jí)實(shí)施。產(chǎn)品化各層面的信息流程如圖2 所示。

圖2 產(chǎn)品化各層面的信息流程圖

原材料的共用技術(shù)。根據(jù)絕熱層的特點(diǎn)對(duì)原材料進(jìn)行分類，形成絕熱層通用原材料庫，制定所有原材料的驗(yàn)收指標(biāo)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法，形成常用原材料的性能型譜，在配方設(shè)計(jì)時(shí)依照技術(shù)方案和技術(shù)指標(biāo)要求選擇不同種類、不同規(guī)格的原材料。

配方調(diào)節(jié)的共用技術(shù)。根據(jù)任務(wù)書中對(duì)絕熱層提出的一般技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行分類，配方調(diào)節(jié)的共用技術(shù)可分為密度調(diào)節(jié)技術(shù)、力學(xué)性能調(diào)節(jié)技術(shù)和燒蝕性能調(diào)節(jié)技術(shù)3 個(gè)方面。根據(jù)研究結(jié)果，分別形成絕熱層的密度、力學(xué)性能和燒蝕性能的共用調(diào)節(jié)技術(shù)，在配方設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)和試驗(yàn)。

測試試驗(yàn)共用技術(shù)。測試試驗(yàn)技術(shù)是絕熱層系列產(chǎn)品性能測試時(shí)必須優(yōu)先采用的共用技術(shù)，根據(jù)任務(wù)書中對(duì)絕熱層提出的測試項(xiàng)目進(jìn)行分類，測試試驗(yàn)共用技術(shù)可分為密度、力學(xué)性能、抗圓周裂紋性能和燒蝕性能測試試驗(yàn)技術(shù)4 個(gè)方面。分別形成密度、力學(xué)性能、抗圓周裂紋性能和燒蝕性能試驗(yàn)的測試標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法，在性能測試時(shí)按相關(guān)要求進(jìn)行，以確保絕熱層性能測試的規(guī)范性和有效性。

（2）產(chǎn)品性能調(diào)節(jié)技術(shù)研究

按照絕熱層性能一般要求，絕熱層產(chǎn)品性能調(diào)節(jié)技術(shù)一般包括密度調(diào)節(jié)技術(shù)、力學(xué)性能調(diào)節(jié)技術(shù)和燒蝕性能調(diào)節(jié)技術(shù)，此外，用于大型戰(zhàn)略發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱層還要求抗圓周裂紋性能。

密度調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)絕熱層密度的原材料種類及調(diào)控方法，密度的調(diào)節(jié)范圍為0.93～1.30g/cm。

力學(xué)性能調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)絕熱層的力學(xué)性能的原材料種類及調(diào)控方法，力學(xué)性能的調(diào)節(jié)范圍為4～11MPa。

燒蝕性能調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)通用絕熱層燒蝕性能的原材料種類及調(diào)控方法，線燒蝕率的調(diào)節(jié)范圍為0.05～0.15mm/s。

確定調(diào)節(jié)抗過載耐燒蝕型絕熱層燒蝕性能的原材料種類及調(diào)控方法，線燒蝕率的調(diào)節(jié)范圍為0.02～0.05mm/s。

抗圓周裂紋擴(kuò)展性能調(diào)節(jié)技術(shù)。確定調(diào)節(jié)通用型絕熱層抗圓周裂紋擴(kuò)展性能的原材料種類及調(diào)控方法，抗圓周裂紋擴(kuò)展性能的調(diào)節(jié)范圍為2.0～2.5MPa。

（3）絕熱層設(shè)計(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析及歸類

絕熱層研發(fā)人員將目前絕熱層技術(shù)狀態(tài)梳理情況反饋給固體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員后，設(shè)計(jì)人員針對(duì)廣泛應(yīng)用于多個(gè)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、宇航型號(hào)等固體發(fā)動(dòng)機(jī)的多種絕熱層存在的問題，根據(jù)絕熱層產(chǎn)品化工作要求，對(duì)各型號(hào)絕熱層設(shè)計(jì)指標(biāo)體系進(jìn)行了梳理統(tǒng)計(jì)，各型號(hào)對(duì)絕熱層提出的指標(biāo)分為以下幾類：

1） 共 性技術(shù)指標(biāo)：包括本體力學(xué)性能（4 項(xiàng)）、燒蝕性能（1 項(xiàng)）、物理性能（1項(xiàng)）、貯存性能（1 項(xiàng)）等共7 項(xiàng) 指 標(biāo)，界面粘接5 項(xiàng)指標(biāo)。

2） 一 次性測試技術(shù)指標(biāo)：力學(xué)性能（4 項(xiàng)）、物理性能（5 項(xiàng)）、固化性能（1 項(xiàng)）等共10 項(xiàng)指標(biāo)。

3）個(gè)性技術(shù)指標(biāo)：燒蝕性能（熱化學(xué)燒蝕性能、克里聚集條件下燒蝕性能）共2 項(xiàng)指標(biāo)。

2016年10月，采用整群抽樣法選擇江蘇省南京市1所三級(jí)甲等醫(yī)院150名精神科臨床護(hù)士作為研究對(duì)象。納入標(biāo)準(zhǔn)：①日常工作中和病人直接接觸的精神科在職護(hù)士；②從事精神科護(hù)理工作1年以上；③無精神異常史和現(xiàn)病史；④知情同意。排除標(biāo)準(zhǔn)：調(diào)查期間非在崗護(hù)士，包括產(chǎn)假、病假、事假、休年假及學(xué)習(xí)、出差者。

4）新增技術(shù)指標(biāo)：為進(jìn)一步提升燃燒室可靠性，目前針對(duì)絕熱層提出了凝膠分?jǐn)?shù)的技術(shù)指標(biāo)要求，一般要求是批次測試，部分型號(hào)要求每一臺(tái)均測試。

（4）絕熱層型譜研究取得的成果

根據(jù)以上共用技術(shù)、性能調(diào)節(jié)技術(shù)研究結(jié)果、絕熱層設(shè)計(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析后確定了指標(biāo)體系，針對(duì)應(yīng)用最廣泛的TI113 絕熱層，對(duì)近10 年以來交付使用多個(gè)批次的性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和包絡(luò)線分析，根據(jù)型號(hào)對(duì)絕熱層性能要求梳理結(jié)果和絕熱層性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合絕熱層院標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用情況，優(yōu)化了型號(hào)應(yīng)用絕熱層推薦指標(biāo)要求和界面粘接技術(shù)指標(biāo)，修改完善了院標(biāo)準(zhǔn)《TI113 絕熱層材料規(guī)范》，需要使用TI113 絕熱層的各型號(hào)技術(shù)指標(biāo)全部統(tǒng)一到材料規(guī)范中，實(shí)現(xiàn)了絕熱層研制生產(chǎn)去型號(hào)化、通用化的使用效果。

2.絕熱層型譜編制

（1）型譜特征參數(shù)確定

根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)絕熱層的性能要求以及絕熱層主要功能和性能，將基材種類、燒蝕率等級(jí)、成型工藝、特征代號(hào)等參數(shù)確定為絕熱層型譜特征參數(shù)。

（2）產(chǎn)品型譜規(guī)格分析及優(yōu)化

基 材 劃分：按照絕熱的基材類型分為NBR 型（丁腈橡膠）、EPDM 型（三元乙丙橡膠）、RE 型（酚醛樹脂）；

燒蝕率劃分：按照氧乙炔燒蝕率大小可分為：≤0.05mm/s（超低燒蝕率）、≤0.08mm/s（極低燒蝕率)、≤0.10mm/s（較低燒蝕率）、≤0.12mm/s（低燒蝕率)、≤0.15mm/s（常規(guī)燒蝕率)、≤0.20mm/s（可接受燒蝕率）6 類；

成型工藝劃分：按照絕熱成型工藝過程分為手工貼片（ST）、模壓成型（MY）；

特征代碼劃分：根據(jù)絕熱的研制序號(hào)及改進(jìn)序號(hào)對(duì)絕熱層產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)分。

絕熱層主要以產(chǎn)品基材類型作為型譜規(guī)格劃分的依據(jù)，在同一基材類型系列下，依據(jù)絕熱層燒蝕率大小進(jìn)行劃分，對(duì)于燒蝕率相同或相近進(jìn)行優(yōu)化合并，做到產(chǎn)品型譜相互之間不重復(fù)，不同規(guī)格產(chǎn)品之間有明顯的差異。

（3）產(chǎn)品樹構(gòu)建、型譜確定

根據(jù)確定的絕熱層產(chǎn)品型譜參數(shù)，構(gòu)建的絕熱層產(chǎn)品樹具體如圖3 所示，共分為三大類，共14項(xiàng)產(chǎn)品。

絕熱層代號(hào)依據(jù)“宇航產(chǎn)品型譜編制指南”進(jìn)行，絕熱層型譜代號(hào)格式要求具體如圖4 所示。絕熱層型譜代號(hào)中前面兩位與后面四位組合即為現(xiàn)用絕熱層代號(hào)。

圖4 絕熱層型譜代號(hào)組成

圖3 絕熱層產(chǎn)品型譜樹

三、EPDM絕熱層產(chǎn)品一體化工作實(shí)踐效果

研究所通過固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、絕熱層研發(fā)與生產(chǎn)一體化工作，推進(jìn)了絕熱層產(chǎn)品化工作，將航天科技集團(tuán)的“高質(zhì)量保證成功、高效率完成任務(wù)、高效益推動(dòng)航天強(qiáng)國和國防建設(shè)”的發(fā)展理念貫徹落到實(shí)處。在絕熱層研發(fā)、生產(chǎn)過程中持續(xù)開展統(tǒng)計(jì)分析工作，針對(duì)絕熱層設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及時(shí)提出解決措施，迭代持續(xù)改進(jìn)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。取得的效果主要有：

一是通過對(duì)絕熱層技術(shù)狀態(tài)的梳理和型號(hào)技術(shù)要求的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合絕熱層性能統(tǒng)計(jì)分析，完善了TI113 絕熱層產(chǎn)品規(guī)范并形成了院級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了絕熱層產(chǎn)品化規(guī)范化，為型號(hào)選用提供了依據(jù)；

二是明確了型號(hào)選用相同絕熱層時(shí)的技術(shù)指標(biāo)要求，直接采用院級(jí)標(biāo)準(zhǔn)TI113 絕熱層規(guī)范，避免不同型號(hào)采用相同絕熱層出現(xiàn)指標(biāo)要求不一致甚至指標(biāo)不完全的情況，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品去型號(hào)化的目的；

三是通過研究編制并完善了絕熱層產(chǎn)品型譜，形成EPDM 絕熱層貨架產(chǎn)品資源，將性能相近的EPDM 絕熱層產(chǎn)品種類壓縮了三分之一，將應(yīng)用最廣泛的EPDM 絕熱層集中到3～5 種，促進(jìn)了在發(fā)動(dòng)機(jī)研制時(shí)對(duì)絕熱層型譜產(chǎn)品的選用；

四是通過EPDM 絕熱層產(chǎn)品化工作，極大地促進(jìn)了產(chǎn)品大批量成組生產(chǎn)，消除了多品種小批量生產(chǎn)的不利局面，產(chǎn)品質(zhì)量和成熟度穩(wěn)定提升，產(chǎn)品生產(chǎn)效率提升了100%～150%，批次檢驗(yàn)頻率降低了5～8 倍。