一種機載導(dǎo)彈艙體內(nèi)隔熱層快速成型技術(shù)

肖軍　程功　趙融　魏仲委

摘 要： 為確保機載導(dǎo)彈艙體內(nèi)精密元器件/組件和儀器儀表的正常工作， 免受高速飛行氣動加熱的影響， 需要采取熱防護(hù)措施。 文章討論了一種艙體內(nèi)隔熱粘貼成型技術(shù)， 該技術(shù)既適合機載導(dǎo)彈小批量、 多批次、快速成型的科研試制， 也適合批產(chǎn)工程制造。

關(guān)鍵詞： 機載導(dǎo)彈； 隔熱； 成型技術(shù)； 熱防護(hù)

中圖分類號： TJ760.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0083-05

0 引 言

機載導(dǎo)彈長時間在稠密大氣層中超聲速、 高超聲速飛行， 會產(chǎn)生強烈的氣動加熱， 艙體內(nèi)精密元器件/組件和儀器儀表面臨嚴(yán)峻的氣動熱環(huán)境。 為確保導(dǎo)彈系統(tǒng)正常工作， 需要對艙體內(nèi)精密元器件/組件和儀器儀表進(jìn)行熱防護(hù)[1-2]。

機載導(dǎo)彈常見的艙體內(nèi)熱防護(hù)， 將低熱導(dǎo)率的輕質(zhì)材料粘貼在艙體內(nèi)壁表面成型為隔熱層。 成型工藝較為復(fù)雜、 耐熱性不高。 采用噴涂耐高溫隔熱涂料成型隔熱層的設(shè)計是機載導(dǎo)彈艙體隔熱的另一種方式。 這種方式成型的隔熱層結(jié)構(gòu)簡單， 避免了粘貼方式的繁瑣步驟。 然而， 現(xiàn)行噴涂成型隔熱層的方式對厚度大、 相鄰部位厚度要求各異的場合， 噴涂、 晾置遍數(shù)多， 施工周期長， 涂料損耗較大， 難以適應(yīng)機載導(dǎo)彈型號研制及批產(chǎn)交付過程小批量、 多批次、 要求快速成型工程化應(yīng)用的需要。

1 粘貼與噴涂工藝

1.1 艙體內(nèi)隔熱

目前， 機載導(dǎo)彈艙體內(nèi)隔熱層多采用低熱導(dǎo)率隔熱材料[3-7]， 例如， 玻璃棉、 巖棉、 氣凝膠、 軟木和泡沫等材料。 成型方式包括粘貼、 噴涂及其他工藝。 內(nèi)隔熱層成型的主要方式是將輕質(zhì)隔熱材料粘貼到艙體防熱部位的內(nèi)壁表面， 或?qū)⒏魺嵬苛蠂娡吭谂擉w內(nèi)壁表面形成隔熱層。

常見艙體隔熱層的粘貼成型工藝較為復(fù)雜， 為避免隔熱材料因碎屑掉渣影響艙體內(nèi)精密儀器儀表和組件正常運轉(zhuǎn)， 需要將上述隔熱材料經(jīng)玻璃布等材料包裹、 定形， 再用膠粘劑粘貼到艙體內(nèi)壁。 常用隔熱層膠粘劑的耐熱性不高于150 ℃， 當(dāng)彈道氣動加熱在350 ℃以上時， 會產(chǎn)生煙霧， 發(fā)生著火、 脫落等現(xiàn)象， 難以滿足高速導(dǎo)彈隔熱防護(hù)的需要。

TR37是一種航空航天飛行器用雙組份輕質(zhì)隔熱涂料， 主要成分是硅酮彈性體和空芯玻璃微球。 由于采用高等級耐熱硅酮樹脂為基體， 輔以增強耐熱性的復(fù)合金屬氧化物， 使其長期工作溫度可達(dá)400 ℃， 短時可達(dá)600 ℃以上。 采用TR37輕質(zhì)隔熱涂料制備的隔熱層， 由于含有大量的空芯微球， 密度約為0.5 g/cm3， 熱導(dǎo)率約0.1 W/（m·K）， 具有優(yōu)良的隔熱性能。 該隔熱層不僅質(zhì)量輕、 柔韌性和強度好， 內(nèi)聚強度遠(yuǎn)高于巖棉、 玻璃棉、 氣凝膠、 泡沫材料等隔熱層， 使用過程中不存在掉渣、 劃傷后分層、 脫落、 脫粘等問題。 理論上， 采用分區(qū)噴涂成型方式可以獲得厚度精準(zhǔn)的隔熱層， 然而， 對于狹小、 復(fù)雜的艙體結(jié)構(gòu)， 尤其是在大面積粘貼輕質(zhì)隔熱層的相鄰部位噴涂不同厚度的TR37隔熱層時， 噴涂操作步驟顯得繁瑣。 此外， 噴涂較厚TR37隔熱涂層的施工周期長、 材料損耗較大。

TR37噴涂遍數(shù)多， 晾置、 干燥時間長， 而且產(chǎn)品一直受隔熱層厚度超差、 加工周期長、 返工多、 材料損耗大、 外觀和個體差異難以接受等問題困擾， 質(zhì)量一致性和進(jìn)度難以滿足小批量、 多批次科研生產(chǎn)需求。 一種改進(jìn)設(shè)計方案是將TR37隔熱涂料預(yù)先制成不同厚度的隔熱層片基， 需要時采用粘貼方式成型為內(nèi)隔熱層。 這種方案無需玻璃布包裹隔熱材料， 直接粘貼TR37隔熱層到殼體上， 既簡便又快捷， 材料損耗少， 有助于緩解因艙體結(jié)構(gòu)件加工慢、 整個交付周期長的困境， 是單純噴涂TR37隔熱涂料成型隔熱層方式的一種補充手段。

1.2 兩種成型技術(shù)比較

內(nèi)隔熱層粘貼成型與直接噴涂成型方式的比較如表1所示。

對比分析可見， 采用新的隔熱層粘貼方式較現(xiàn)行直接噴涂方式具有以下優(yōu)點：

a. 由于殼體結(jié)構(gòu)件加工周期長， 提前批量制備TR37隔熱預(yù)制片， 待殼體到達(dá)后的試制加工周期明顯比直接噴涂方式短；

b. 現(xiàn)行的艙體內(nèi)TR37隔熱層手工噴涂方式經(jīng)常超厚、 偏薄， 需經(jīng)常性打磨、 返工才能通過交檢； 新的粘貼方式得到的隔熱層厚度一致性好、 外觀質(zhì)量好；

c. 由于避免頻繁打磨操作， 可節(jié)省大量的隔熱涂料；

d. 由于避免大量打磨操作， 艙體內(nèi)打磨碎屑少， 避免了專項清理碎屑工作。

對比表1可知， 新粘貼方式比直接噴涂方式有優(yōu)勢。 不同艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)各異， 可根據(jù)各艙體結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)設(shè)計具體情況， 以費效比、 便捷批產(chǎn)為原則， 分別實施粘貼、 噴涂、 噴涂+粘貼組合的方案。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決

2.1 方案設(shè)計

新粘貼成型的關(guān)鍵技術(shù)包括： 高質(zhì)量隔熱預(yù)制片的批量制備； 高溫膠選用； 艙體快速匹配粘貼成型工藝； 粘貼制品質(zhì)量控制。

在完成導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)熱防護(hù)方案設(shè)計后， 通過導(dǎo)彈艙體結(jié)構(gòu)數(shù)值化模型， 利用專用涂膠軟件分析， 可以虛擬模擬涂膠過程， 分析并優(yōu)化工藝參數(shù)（分析涂膠量、 缺陷以及工藝優(yōu)化參數(shù)）， 由此確認(rèn)隔熱層預(yù)成型+粘貼方案的可行性， 為粘貼成型自動化作業(yè)提供輸入?yún)?shù)； 通過專用軟件分析， 還可以獲得隔熱預(yù)制片成型模具的結(jié)構(gòu)模型， 用于成型磨具的加工制作。

通過粘貼樣件的生產(chǎn)過程工藝試驗、 地面熱防護(hù)性能試驗、 產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性試驗， 可以獲得產(chǎn)品設(shè)計和改進(jìn)依據(jù)， 并確定實施方案。

2.2 隔熱預(yù)制片制備

采用多套模具/模板， 同步噴涂、 晾置、 固化、 脫模批量的隔熱預(yù)制片， 有助于提高生產(chǎn)效率。 利用現(xiàn)有技術(shù)， 隔熱預(yù)制片的制備可以依據(jù)待防護(hù)艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸和形貌特征， 采用結(jié)構(gòu)數(shù)值化模型分別設(shè)計、 加工所需工裝模具。 隔熱預(yù)制片成型的分形模具設(shè)計， 需要考慮不同艙體內(nèi)形貌和位置各異的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征， 如螺套、 插件凸起位置、 窗口位置等， 制備出與粘貼部位尺寸和形貌匹配， 便于粘貼、 脫模的分形模具， 有利于隔熱預(yù)制片在艙體起伏不平內(nèi)壁表面的匹配性粘貼成型。 對于簡單形狀的內(nèi)壁表面， 也可在平板模具上制備預(yù)定形狀、 尺寸、 厚度的隔熱預(yù)制片， 或者先制作整張片基、 再通過剪裁獲得小尺寸的隔熱預(yù)制片。

模具/模板采用易于脫模的PTFE塑料加工， 或金屬模具表面噴涂氟塑料， 或金屬模具表面粘貼氟塑料膜， 有助于成型后方便脫模。

目前， 采用TR37輕質(zhì)隔熱涂料制備出產(chǎn)品試驗用多種形狀、 尺寸和厚度的白色TR37隔熱預(yù)制片。 這種TR37隔熱預(yù)制片柔韌性較好， 不會出現(xiàn)掉渣、 艙體內(nèi)裝配過程劃傷引起脫粘、 脫落等問題， 無需用玻璃布等織物、 外套包裹、 定型后再粘貼到殼體上。 對于艙體內(nèi)壁玻璃棉粘貼與TR37隔熱層粘貼同步進(jìn)行的場合， 可以顯著縮短工期、 簡化導(dǎo)彈生產(chǎn)工藝， 提高生產(chǎn)效率。

2.3 粘貼用高溫膠

高速飛行過程的氣動加熱， 可將導(dǎo)彈金屬艙體溫度加熱到數(shù)百度， 粘貼隔熱預(yù)制片的膠粘劑應(yīng)滿足高溫工作要求。 考慮到熱脹冷縮、 振動和沖擊效應(yīng)， 使用過程材料匹配性要求等特點， 宜選用彈性高溫膠作為隔熱預(yù)制片/艙體內(nèi)壁之間粘貼用膠粘劑。 選材要求包括： 粘合強度， 耐熱/冷熱沖擊性能， 兼容性， 工藝操作性能， 成本等。

通常， 耐高溫膠粘劑可分為有機和無機兩大類。 無機高溫膠性能偏脆， 有機高溫膠包括： 有機硅、 酚醛、 聚酰亞胺、 聚醚酮、 聚苯并咪唑等高溫膠， 而高溫彈性密封膠多為有機硅類材料。

俄、 美等國高溫彈性密封膠的研究起步早、 投入大， 航天和軍用高溫膠、 密封劑和涂層已形成系列產(chǎn)品， 且對每種膠與被粘接和密封材料的相容性也進(jìn)行了系統(tǒng)研究， 研制出600 ℃金屬/陶瓷填充有機硅類密封膠、 600～1 700 ℃的陶瓷膠粘劑。 相比之下， 國產(chǎn)特種膠粘劑的整體水平與國外仍有一定的差距， 雖然開展膠粘劑研究和生產(chǎn)的單位很多并具備小批量供貨能力， 但目前國內(nèi)航空航天耐高溫彈性膠可選品種很少， 常見的使用溫度不高于350 ℃（如HM301工作溫度為-60～300 ℃、 密閉環(huán)境≯250 ℃； HM305工作溫度-70～250 ℃， 等等）。 目前在航空航天飛行器上工程化實際應(yīng)用的種類更少。

為開展隔熱層粘貼試驗研究， 從RTV3120硅酮膠粘劑、 HM301有機硅膠粘劑、 KHRTV400高溫有機硅膠粘劑等結(jié)構(gòu)膠中優(yōu)選出KHRTV400、 RTV3120高溫彈性膠， 用于TR37隔熱層粘貼成型試驗。

KHRTV400高溫有機硅膠粘劑是一款新型雙組份高溫硅膠粘接劑， 通過優(yōu)選高溫樹脂、 添加專用硅-氮抗降解、 耐高溫交聯(lián)劑， 輔以增強耐熱性的復(fù)合金屬氧化物， 使得該膠長期工作溫度和短時耐熱性、 高/低溫粘接強度顯著提升， 達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平， 常溫剪切強度實測值6.72（鋼-鋼， MPa）， 402 ℃×1 h剪切強度實測值4.02（鋼-鋼， MPa）。

2.4 艙體隔熱層粘貼成型

內(nèi)隔熱層粘貼成型既可手工粘貼成型， 也可采用先進(jìn)設(shè)備自動涂膠粘貼成型。 手工操作靈活性大， 借助艙體的數(shù)值化模型由機器人完成的隔熱層預(yù)制片與膠膜自動裁切/鋪設(shè)/加熱固化/在線檢測是滿足快速生產(chǎn)和提高產(chǎn)品一致性的最佳解決方案。 據(jù)相關(guān)會議介紹， 國外航空航天產(chǎn)品使用膠膜自動化快速粘貼成型技術(shù)， 可在數(shù)小時內(nèi)完成剪裁、 粘貼、 加壓、 固化。 目前， 采用兩種尺寸的自制TR37隔熱預(yù)制片、 兩種高溫彈性膠粘劑（RTV3120硅酮膠粘劑； KHRTV400高溫有機硅膠粘劑）進(jìn)行了三種典型艙體結(jié)構(gòu)的內(nèi)隔熱層粘貼成型試驗（如圖1所示）。 采用工裝+手工粘貼成型的平板試樣、 筒體以及正式產(chǎn)品均滿足產(chǎn)品外觀和尺寸驗收規(guī)定要求， 加工周期顯著縮短。

2.5 預(yù)制片粘貼及質(zhì)量檢測

直接粘貼成型的流程包括： ① 隔熱預(yù)制片制備； ② 隔熱預(yù)制片剪裁、 粘貼、 伴隨試樣制備； ③ 艙體內(nèi)隔熱層成型、 干燥和固化； ④ 產(chǎn)品修飾； ⑤ 交檢、 入庫。 ①～②可提前進(jìn)行， ③～⑤粘貼成型周期較短。

質(zhì)量控制內(nèi)容包括： 隔熱預(yù)制片的外觀檢查、 強度檢測、 粘貼艙體隔熱層外觀、 厚度和附著力檢測。

3 試驗驗證

3.1 隔熱預(yù)制片

采用多套平板模具并列噴涂成型TR37隔熱預(yù)制片， 經(jīng)外觀、 厚度和伴隨試片與預(yù)制片基取樣強度檢測， 滿足預(yù)制片尺寸公差和性能要求， 外觀、 尺寸一致性好。 對制片過程物料損耗核算表明， 材料利用率比艙體內(nèi)直接噴涂方式提高一倍以上。

3.2 粘貼試驗

利用TR37隔熱預(yù)制片進(jìn)行平板粘貼試驗和模擬產(chǎn)品粘貼試驗。 分別進(jìn)行了RTV3120、KHRTV400粘貼TR37隔熱預(yù)制片的試驗， 鈦合金試樣的附著力達(dá)到0.86 MPa， 而采用KHRTV400高溫膠粘貼TR37預(yù)制片鈦合金試驗件的附著力達(dá)到1.30 MPa（TR37層內(nèi)聚破壞）。 RTV3120、 KHRTV400高溫膠粘貼的導(dǎo)彈艙體內(nèi)壁尺寸和外觀均達(dá)到預(yù)定要求。

試驗表明， 采用高溫膠粘貼TR37隔熱預(yù)制片的方案由于可以與玻璃棉同步粘貼， 在某些場合顯著簡化工藝、 縮短工期， 比現(xiàn)行的艙體內(nèi)隔熱成型工藝有明顯優(yōu)勢。

3.3 氣動加熱試驗

內(nèi)隔熱粘貼成型技術(shù)的試驗驗證包括多項內(nèi)容[8]， 其中， 是否有效粘貼需要通過外觀、 厚度檢查和粘合強度檢測。 隔熱層粘合強度檢測內(nèi)容有常溫和高/低溫的剪切強度和剝離強度檢測。

若無外防熱層， 艙體/TR37隔熱層之間的膠粘劑將直接承受嚴(yán)酷彈道氣動熱環(huán)境， 能否保持結(jié)構(gòu)完整， 需進(jìn)行嚴(yán)酷彈道氣動加熱的耐熱性試驗。 試驗條件為彈道飛行最嚴(yán)酷的氣動加熱條件。 試驗件背面設(shè)置測溫傳感器， 分別獲得了RTV3120高溫膠/TR37隔熱層， KHRTV400高溫膠/TR37隔熱層粘貼與噴涂方案耐熱性和隔熱效果及其差異的試驗數(shù)據(jù)。

試驗表明， 采用RTV3120硅硐膠粘貼TR37隔熱預(yù)制片的方案滿足常規(guī)彈道， 但難以滿足新型號嚴(yán)酷彈道氣動加熱條件要求， 膠粘層在該條件下易出現(xiàn)鼓包、 脫粘、 開裂等破損現(xiàn)象， 存在因隔熱層脫粘導(dǎo)致熱泄露的風(fēng)險。 而TR37/KHRTV400高溫膠的粘貼方案滿足新型號嚴(yán)酷彈道熱防護(hù)要求， 隔熱層在氣動加熱環(huán)境中表現(xiàn)良好。

環(huán)境適應(yīng)性試驗采用隔熱層粘貼的典型艙體試驗件進(jìn)行高溫、 低溫和溫度循環(huán)沖擊試驗。 試驗前后隔熱層及粘貼部位完好， 未見異常。 耐久性試驗將粘貼成型的典型艙體進(jìn)行振動、 沖擊等耐久性試驗， 試驗后分析隔熱層的性能變化， 試驗未見異常。

4 結(jié) 束 語

在導(dǎo)彈艙體到位前， 將TR37制成隔熱預(yù)制片， 采用高溫膠粘貼成型的設(shè)計方案可以獲得隔熱層外觀良好、 平整、 光滑、 厚度均勻的產(chǎn)品； 新的粘貼方案還可以避免現(xiàn)階段對每件噴涂產(chǎn)品打磨困難、 大量人力和工時支出的窘境， 節(jié)省TR37隔熱涂料的使用量， 顯著縮短交付周期。

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Abstract： Thermal protective measures must be applied to safeguard regular work for precision components， assemblys， and apparatus of an airborne missile from overheat during supersonic and hypersonic speed flight. In this paper， a rapid forming technology for heat insulation coatig on innerwall of airborne missiles cabins is discussed. The forming technology is suited for airborne missile projects engineering development， with small number， multibatchs， quick and flexible characteristics， as well as large scale production.

Key words： airborne missile； heat insulation； forming technology； thermal protection