作為我國載人航天工程空間站建設(shè)的主力火箭，長征五號B運(yùn)載火箭代表了我國運(yùn)載火箭技術(shù)的最高水平，在繼承長征五號火箭優(yōu)秀“基因”的基礎(chǔ)上，長征五號B火箭身上還有許多首創(chuàng)的航天“黑科技”?；鸺c火發(fā)射的剎那，溫度高達(dá)2000多攝氏度，足以融化絕大多數(shù)金屬和非金屬材料。此外，由于耐熱護(hù)板與舵之間的間隙很小，因此對耐熱護(hù)板的尺寸精度要求很高，還必須耐溫等級高、高溫承載性、高溫變形小。
傳統(tǒng)的耐熱護(hù)板采用鈦合金外噴防熱涂層的方案，但其涂層容易脫落，可靠性差，質(zhì)量過重。隨著飛行器性能要求的進(jìn)一步提升，其減重要求愈加迫切，傳統(tǒng)的金屬方案已經(jīng)嚴(yán)重阻礙其減重要求。此外，若采用酚醛樹脂基復(fù)合材料制備耐熱護(hù)板，則其耐溫等級不足，高溫氣流沖刷下將出現(xiàn)損壞或較大熱變形；采用2D鋪層復(fù)合材料，則會在高溫下出現(xiàn)鼓泡分層現(xiàn)象；以上均會導(dǎo)致耐熱護(hù)板和舵之間出現(xiàn)干涉，嚴(yán)重影響舵的運(yùn)動，進(jìn)而導(dǎo)致飛行器飛行失敗。
2厘米厚，能耐2500度高溫
基于以上不足，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所采用耐高溫鄰苯二甲腈材料和近百層增強(qiáng)布自主研制出一種新的發(fā)射平臺防護(hù)板，不僅能扛住火箭尾焰2500攝氏度的高溫，還可重復(fù)利用。
該材料研制人員楊昆曉介紹，傳統(tǒng)火箭發(fā)射平臺的表面采用刮涂無機(jī)涂層的方式來防護(hù)。
但火箭發(fā)射時，噴射的大熱量尾焰會導(dǎo)致無機(jī)涂層飛散，產(chǎn)生大量煙塵、多余物，并對發(fā)射平臺局部造成損壞。每次火箭發(fā)射后，地面工作人員都要對發(fā)射平臺局部破壞位置進(jìn)行現(xiàn)場修補(bǔ)，對無機(jī)涂層檢查、確認(rèn)和局部修補(bǔ)，十分耗時。
那有沒有一種能夠使用維護(hù)便捷，防護(hù)性能更強(qiáng)的辦法呢？
為此，研制人員開展了可重復(fù)使用復(fù)合材料防護(hù)板的成型技術(shù)研究。
“新研制的復(fù)合材料防護(hù)板主要用耐高溫的鄰苯二甲腈材料和近100層增強(qiáng)布做成。別看它只有2厘米厚，卻能隔絕將近2500攝氏度的高溫，耐受住火箭發(fā)射時高溫和高載荷的外部沖擊?！睏罾越榻B，新研制的防護(hù)板主要放在發(fā)射平臺的核心區(qū)，因為核心區(qū)最靠近火箭火焰中心，核心區(qū)下方有許多管道、監(jiān)測器等設(shè)備，對它們的防護(hù)直接關(guān)系到火箭能否成功發(fā)射。
為了避免增強(qiáng)布在大熱流和高溫的沖擊下產(chǎn)生分層、鼓包的缺陷，研制人員還采用了一種新的縫合技術(shù)。
楊昆曉說：“這種縫合技術(shù)就像‘納鞋底’一樣，通過一根線對增強(qiáng)布來回穿插，把近100層增強(qiáng)布縫合在一起。”
同時，防護(hù)板維護(hù)方法也非常簡單便捷，火箭發(fā)射后，只需要簡單的清掃，再噴上一層漆，發(fā)射平臺就煥然一新，可以進(jìn)行下一次任務(wù)。據(jù)介紹，目前，該防護(hù)板可以連續(xù)5次重復(fù)使用，現(xiàn)已在長征五號火箭發(fā)射中應(yīng)用，使火箭發(fā)射平臺的維護(hù)效率大幅提升，對未來火箭高密度發(fā)射也具有重要意義。
聚鄰苯二甲腈樹脂簡介
關(guān)于聚鄰苯二甲腈樹脂的起源，20世紀(jì)70年代，美國海軍實驗室成功制各一類在耐熱性、斷裂的韌性、和抗拉強(qiáng)度都優(yōu)于聚酰亞胺復(fù)合材料的樹脂，即鄰苯二甲腈樹脂。目前唯一能夠滿足美國海軍易燃標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD-2031）潛艇防火性能的有機(jī)聚合物材料。
聚鄰苯二甲腈樹脂是由雙鄰苯二甲腈單體和各種固化劑通過加成反應(yīng)合成的熱固性復(fù)合材料。其單體結(jié)構(gòu)式如下，其中A至少是一個含有芳烴或雜環(huán)的二價基團(tuán)，B是氧、硫或氮。
這類樹脂作為一種熱固性樹脂，擁有優(yōu)越的耐高溫性，有著優(yōu)良的阻燃性以及吸水率低等優(yōu)點。
它的熔融粘度為0.01～1 pa.S，比較低，并且它固化后產(chǎn)物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于500 ℃，具有較長的加工窗口。但是此類樹脂也存在溶解性能差、熔點高等缺點，因此必須選取合適的固化劑對其進(jìn)行催化。同時，由于鄰苯二甲腈單體存在著反應(yīng)活性不高、固化后韌性較差等缺點，通常需要在它結(jié)構(gòu)中加入其他原子、脂肪鏈或者醚、酮鍵等來進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，生成更為優(yōu)越的改性樹脂材料。
為什么會有這么高的耐熱性能？
鄰苯二甲腈聚合物復(fù)合材料就是通過受熱時在其表面形成熱絕緣炭層來提高其耐高溫性能的。它在高溫下的成炭率很高，在惰性環(huán)境下其保留65%-70%炭到1000 ℃才會分解。
鄰苯二甲腈復(fù)合材料耐熱護(hù)板成型技術(shù)制備的產(chǎn)品耐溫等級高、尺寸穩(wěn)定性好、高溫變形小、承載性好、減重效果顯著，解決了傳統(tǒng)金屬方案質(zhì)量太重的問題，解決了酚醛樹脂基復(fù)合材料方案耐溫等級不足，高溫下尺寸變形較大的問題，適用于高尺寸精度耐高溫復(fù)合材料構(gòu)件的制備。相信鄰苯二甲腈復(fù)合材料在未來的航空航天領(lǐng)域中必定會發(fā)揮更重要的作用。
