專利名稱：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用的彈性體化酚醛樹脂燒蝕性隔熱物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及，用來(lái)在燃料燃燒期間將結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的高溫和高壓力進(jìn)行隔離的材料和方法。本發(fā)明尤其適于將結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述的隔離，這些結(jié)構(gòu)包括而不局限于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，例如用于航天工業(yè)的固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的圓頂結(jié)構(gòu)、噴口結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾端有一個(gè)中心孔和/或空腔，在其中固體推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物流動(dòng)并流過(guò)噴口的喉管。燃燒發(fā)生于推進(jìn)劑和形成的燃燒產(chǎn)物的表面，通過(guò)喉管后，膨脹并從位于發(fā)動(dòng)機(jī)最尾端的噴口的圓錐形出口噴出。當(dāng)燃燒產(chǎn)物經(jīng)過(guò)噴口的圓錐形出口時(shí)，燃燒產(chǎn)物在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)從高壓下的亞音速加速到環(huán)境壓力下的超音速。燃燒產(chǎn)物被加速并從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的非常高的速度，為推進(jìn)裝有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行物或宇宙航天器提供必需的推動(dòng)力。
尾部敞開(kāi)的固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾端有個(gè)很大的空腔，稱為尾部圓頂。尾部敞開(kāi)的結(jié)構(gòu)是用來(lái)使用來(lái)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)形成推進(jìn)劑粒子的內(nèi)部幾何形狀的模具的后退方便而容易地進(jìn)行。有了尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒產(chǎn)物在離開(kāi)噴口之前，能以91m/s(300英尺/秒)以上的速度直接沖擊尾部圓頂。
因?yàn)橥七M(jìn)劑燃料燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓力，一般為2760℃(5000°F)和10，341KPa(1500psi)，所以必需為這樣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)圓頂和發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件和部分的內(nèi)表面，提供能夠承受高速氣體和燃料氧化的或部分燃燒的微粒的沖擊的隔熱材料。尾部圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)一般由鋁、合金鋼、纖維-樹脂復(fù)合物制成，如果直接暴露于高速高溫的燃燒氣體和氧化微粒就會(huì)斷裂。隔熱材料也用于包圍并保護(hù)緊鄰發(fā)動(dòng)機(jī)的周圍區(qū)域免受推進(jìn)劑燃料快速燃燒所產(chǎn)生的大量熱的影響。這樣，隔熱材料就不僅必須能夠承受高速氣體和對(duì)隔熱材料具有很大磨蝕性的微粒的沖擊，而且也必須能夠經(jīng)受火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的高溫和高壓。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有圓錐形噴口，它導(dǎo)向燃燒氣體離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器。這樣的圓錐形出口能夠是固定類型的圓錐體，它一般固定地安裝到尾部，或圓頂?shù)暮蟛?。另外，而且常?jiàn)的是，圓錐形出口的角度能是可變化的，或者是可導(dǎo)向類型圓錐，它可由樞軸安裝到圓頂?shù)奈膊坎糠?，使得圓錐形出口能在選出的范圍內(nèi)有角度地運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行導(dǎo)向，或者導(dǎo)航裝有發(fā)動(dòng)機(jī)的航天器，可使飛行器的方向更容易控制。一般，可導(dǎo)向類型噴口的圓錐形出口能在0-10°范圍內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)向。圓錐形出口，不論是固定類型的或者可導(dǎo)向類型一般都直接連到圓頂?shù)奈膊?，而且常常?duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的中線或縱軸傾斜一預(yù)定的角度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成搭接式助推火箭為主或中心宇宙航天器提供增大的發(fā)射能量時(shí)尤其是這樣。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的中線或縱軸的傾斜角常常采用高達(dá)10°的傾斜角。但是，必要時(shí)也可以使用其他的傾斜角。在有多個(gè)助推火箭的航天器內(nèi)此傾斜角常常是必需的，而且需要用來(lái)將噴出的火焰導(dǎo)向離開(kāi)航天器的中線，以避免航天器自身或者安裝的相鄰發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱或灼傷。
這樣，必須構(gòu)造尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的圓頂和位于于圓頂內(nèi)部的隔熱物，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)的圓錐形出口傾斜個(gè)預(yù)定角和/或在一預(yù)定角度范圍內(nèi)可以導(dǎo)向。當(dāng)氣體通過(guò)噴口喉管離開(kāi)時(shí)，傾斜和/或以給定的角度持續(xù)導(dǎo)向會(huì)導(dǎo)致尾部圓頂內(nèi)碳增多。由于更為復(fù)雜的切削加工、額外的工作量或材料碎屑等問(wèn)題，噴口傾斜也使制造成本增大。
本領(lǐng)域以前采用的圓頂，一般由預(yù)定的金屬合金制成，其中兩個(gè)或多個(gè)預(yù)形成的帶包繞成的碳酚醛隔熱物的環(huán)連續(xù)地粘合到圓頂內(nèi)部的部位，形成隔熱的屏障。在過(guò)去，由于厚度增大和帶包繞成的碳酚醛樹脂隔熱物能夠承受燃燒產(chǎn)物直接沖擊到尾部敞開(kāi)的尾部圓頂造成的機(jī)械的和熱的磨蝕，使用它可以使慣性重量最小。為了裝入圓頂內(nèi)的合適位置，由于直徑依次增大，幾何形狀復(fù)雜，每個(gè)這樣的環(huán)通常都分別制造。從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部或噴口端向前看，或從圓錐形出口朝推進(jìn)劑燃料進(jìn)行燃燒的圓頂看，中空?qǐng)A頂?shù)闹睆酵瑯邮窃龃蟮摹?br> 為了更好地理解和明白本發(fā)明，可以參看安裝在尾部敞開(kāi)的固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的圓頂內(nèi)的示范性的現(xiàn)有技術(shù)隔熱物，如


圖1和2所示。
圖1示出了有固定類型圓錐形出口的發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部敞開(kāi)的圓頂和噴口。圖2示出了有可導(dǎo)向類型圓錐形出口的發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部敞開(kāi)的圓頂和噴口。
具體地看，
圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)2有一個(gè)圓頂殼10，它通常包圍著一個(gè)敞開(kāi)的圓頂區(qū)4和噴口喉管區(qū)6，而且有圓錐形出口殼22，它通常包圍著圓錐形出口區(qū)8。圓頂殼10一般是由預(yù)定的金屬合金制成的殼，包括凸緣部分26，便于使圓頂密封并固定到發(fā)動(dòng)機(jī)室外殼(未示出)上。圓錐形出口殼22也一般由金屬合金制成，圓錐形出口隔熱襯24一般由帶包繞成的碳纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料制成。圓頂為了能使圓錐形出口22從發(fā)動(dòng)機(jī)的水平縱向中線延伸而必須形成的傾斜或者角度表示為角α。如上所述，角α的范圍能夠是0-10°，但是α也能夠是任何合適的角度。
如
圖1所示，噴口喉管區(qū)6由整體的喉管入口(ITE)18所界定，該喉管入口18一般由三向或者四向帶包繞成的碳-碳復(fù)合材料形成，由噴口喉管隔熱物20在外部支撐，該噴口喉管隔熱物20一般由單向帶包繞成的碳纖維/酚醛材料形成。
從
圖1也可以看出，圓頂區(qū)4由尾部圓頂隔熱物14所界定，該尾部圓頂隔熱物14從圓頂殼10更靠后的尾部部分伸至整體喉管入口18。前圓頂隔熱物16與尾部隔熱物14在結(jié)合界面15連接，并隔熱地將殼10在結(jié)合界面15向前連接至凸緣26。位于隔熱物14和16后面，因此在隔熱物14和15與圓頂殼10內(nèi)表面之間有一切變層12。切變層12一般由含二氧化硅粉或者芳族聚酰胺纖維(例如KevIar材料制成的纖維)的彈性材料和可固化聚合物例如乙烯丙烯二烯單體(EPDM)形成，可購(gòu)自許多供應(yīng)商。切變層12在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，在略硬的圓頂隔熱物14和16與圓頂殼10內(nèi)表面之間提供緩沖。
圓頂殼10、切變層12、尾部圓頂隔熱物14和前圓頂隔熱物16的結(jié)構(gòu)通常如下所述。切變層12一般是切割并修整成貼合圓頂殼10內(nèi)表面的合適尺寸和形狀的壓延片，手工放置到圓頂殼10的基本整個(gè)內(nèi)表面上。購(gòu)自LordCorp.的粘合體系例如Chemlok 205底涂料和Chemlok236粘合劑，用來(lái)保證切變層和圓頂殼10內(nèi)表面之間的合適粘合。當(dāng)切變層12合適地放置并修整成適合圓頂殼10的內(nèi)部輪廓后，切變層和圓頂殼就抽真空裝入袋內(nèi)，然后在高壓釜中固化，使切變層12粘合到圓頂殼10的內(nèi)表面上。這樣固化以后，將切變層露出的表面切削加工成適于接受將粘合上去的隔熱材料的最終輪廓和表面光潔度。
圓頂隔熱物14和16都根據(jù)已知的現(xiàn)有材料和方法制成，首先是將一條含有用例如酚醛樹脂浸漬的碳化人造纖維的帶放置或包繞一根具有與各隔熱物內(nèi)表面對(duì)應(yīng)的預(yù)定輪廓和尺寸的成形軸而形成。這樣的帶或帶包繞成的材料通常在現(xiàn)有技術(shù)中稱為帶包繞成的碳酚醛樹脂復(fù)合物材料。這樣的帶包繞成的碳酚醛材料制造困難，而且購(gòu)買日益困難，這是由于現(xiàn)有的供貨商停止制造這種材料的亞部件，或者不再進(jìn)行經(jīng)營(yíng)。這種前體帶起始由North AmericanRayon Corp(NARC)制造，它是North American Rockwell Corp.的纖維制造分部，已經(jīng)停止了經(jīng)營(yíng)。纖維帶，當(dāng)碳化和用酚醛樹脂浸漬(纖維產(chǎn)品號(hào)MX4926)后，出售價(jià)格高于US$100.00/磅(US$200/kg)。但是目前沒(méi)有美國(guó)制造商生產(chǎn)這種帶。當(dāng)NARC宣布計(jì)劃停止生產(chǎn)前體纖維時(shí)，許多公司就購(gòu)買并囤積了多年的碳纖維前體產(chǎn)品。另外，人造纖維是購(gòu)自CYDSA Corporation，它是個(gè)以墨西哥為基地的供貨商，它尚沒(méi)有進(jìn)行代理資格的檢驗(yàn)和認(rèn)證，以便被批準(zhǔn)為該行業(yè)內(nèi)經(jīng)認(rèn)證的供貨商。但是，一旦得到合適和合格的人造纖維后，它就必須首先織成布或帶，還必須用一技術(shù)精良的碳化設(shè)備(它往往難以安放)進(jìn)行碳化，然后才用酚醛樹脂浸漬。這樣的樹脂或購(gòu)自Borden Corp.產(chǎn)品號(hào)為SC1-008，或購(gòu)自Ashland Chemical Corp.產(chǎn)品號(hào)為91LD。過(guò)去用酚醛樹脂浸漬碳纖維的設(shè)備是明尼蘇達(dá)州Winona的Fiberite Corp.供應(yīng)的。但是；在實(shí)際操作中，很難協(xié)調(diào)并保證這種碳樹脂復(fù)合材料可合適地制出以便提供質(zhì)量合適的最終產(chǎn)品。
使用另一種碳化的纖維前體即聚丙烯腈(PAN)的努力尚未成功，盡管它有優(yōu)良的耐磨蝕性和足夠的熱性能。PAN纖維織成帶和用酚醛樹脂浸漬后，力學(xué)性能很差(即層間斜交度低，剪切強(qiáng)度差)。
當(dāng)碳纖維碳化并用酚醛樹脂浸漬后，將它先包住各尺寸合適的成形軸，形成隔熱物預(yù)制品14和16，再抽真空裝入袋內(nèi)，然后進(jìn)行高壓釜固化。在高壓釜中固化或在液壓釜中固化后，已成形的尺寸合適的隔熱物14和16就從成形軸上取下。之后用其機(jī)械切削出中空的碗狀隔熱物，以便使該隔熱物的后表面或外表面，具有與預(yù)先安裝上切變多層12的圓頂殼10的輪廓相配。另外，一些結(jié)合界面，例如
圖1所示的結(jié)合界面15和19要進(jìn)行機(jī)械切削，以便具有在圓頂殼10內(nèi)與相鄰隔熱物鄰按上去的合適表面。切削加工方法在加工時(shí)間、熟練勞動(dòng)力和要去除的材料量方面都是成本很大的。在構(gòu)造尾部隔熱物14方面，該加工費(fèi)用更大，因?yàn)樗鑫膊扛魺嵛?4為了形成要能使噴口喉管區(qū)6和圓錐形出口區(qū)8傾斜在一選定的角度α的最終輪廓，就必須進(jìn)行大量的切削。觀察了
圖1圓頂區(qū)4的下部后，可見(jiàn)直徑較大的隔熱物16通常相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向中線對(duì)稱。但是，為了使由整體喉管入口18界定的噴口6和由圓錐形出口22和襯24界定的圓錐形出口區(qū)8向下延伸形成所需要的傾斜角度α，直徑較小的隔熱物14相對(duì)于縱向中線是非對(duì)稱的。該隔熱物14的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)需要從隔熱物14的預(yù)制品加工掉大量材料，因?yàn)闉榱耸箻渲n的碳纖維帶合適地包繞到軸上，預(yù)制品開(kāi)始僅能是形成為對(duì)稱的。也就是說(shuō)，隔熱物14必得首先制成對(duì)稱的中空碗形，沒(méi)有中心。接著，為了形成具有必要傾斜角構(gòu)型，以便與圓頂殼10和已安裝的切變層12的內(nèi)部相配的隔熱物，就必須通過(guò)昂貴而困難的多軸切削去除預(yù)制品碗的大部分后部(高達(dá)初始材料的50％)。
圓頂隔熱物14和16的各結(jié)合界面和后部進(jìn)行了切削加工后，隔熱物14首先安裝并粘合在圓頂10的切變層12的內(nèi)表面上，與著體喉管入口18縱向相連。一種結(jié)構(gòu)性環(huán)氧粘合劑例如與購(gòu)自加利弗尼亞州Pittsburgh的Hysol-Dexter的EA-934NA或EA-9394，一般用來(lái)將隔熱物14粘合到切變層12上，并粘合在隔熱物14后邊和整體喉管入口18的前邊之間的界面。當(dāng)隔熱物14被放入圓頂殼10內(nèi)的位置后，就將直徑較大的隔熱物16安裝并粘合到切變層12的余下露出部分上，并頂住尾部隔熱物14的前邊，形成在隔熱物14和16的兩個(gè)結(jié)合邊之間的粘合界面15，也稱為第二粘合線。一般相同的環(huán)氧粘合劑例如上述的EA-934NA，或EA-9394，也用作粘合隔熱物16的后邊與切變層12向內(nèi)的表面以及隔熱物16的后邊和隔熱物14的前邊之間的粘合界面15處的粘合劑。圓頂隔熱物14和16完全固化并粘合到預(yù)先粘合在圓頂殼10內(nèi)的切變層12上。最后，圓頂隔熱物14和16的內(nèi)表面被切削成圓頂區(qū)4應(yīng)具有的最終輪廓和表面光潔度。之后，完成的圓頂組合件就可備用作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要亞部件進(jìn)行安裝，然后火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件包括圓錐形出口組合件22/24就可以固定上去。
下面參看附圖中的圖2，它顯示了有可導(dǎo)向類型或可移動(dòng)圓錐形出口的尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)32。發(fā)動(dòng)機(jī)32有圓頂區(qū)34，由有三個(gè)圓頂隔熱物的圓頂殼40構(gòu)成，所述三個(gè)隔熱物分別稱為尾部隔熱物44、中隔熱物46和前隔熱物48。發(fā)動(dòng)機(jī)32還有一個(gè)整體的喉管入口50和喉管支撐隔熱物52。位于喉管區(qū)外周的是一個(gè)樞軸機(jī)構(gòu)，它能使圓錐形出口組合件54/56在預(yù)定的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。與
圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)2一樣，具有凸緣部分60的圓頂殼40一般由金屬合金形成，并構(gòu)造成能使噴口喉管區(qū)36和圓錐形出口區(qū)38相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)32的縱向中線傾斜一個(gè)預(yù)定的角度α。與僅有兩個(gè)圓頂隔熱物粘合到發(fā)動(dòng)機(jī)2圓頂殼內(nèi)的切變層12相比，除了有三個(gè)圓頂隔熱物44，46和48，例如在結(jié)合界面45和47以尾-尾連接方式定位，而且這三個(gè)圓頂隔熱物44，46和48粘合到切變層42(所述切變層42粘合在發(fā)動(dòng)機(jī)32的圓頂殼40內(nèi))的內(nèi)表面以外，上述在圓頂殼40內(nèi)構(gòu)造和安裝切變層42和圓頂隔熱物44，46，和48的材料和步驟基本上與
圖1發(fā)動(dòng)機(jī)的切變層12和圓頂隔熱物14和16相同。與
圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)的非對(duì)稱尾部圓頂隔熱物16一樣，圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的非對(duì)稱尾部圓頂隔熱物44也必須進(jìn)行大量的多軸切削加工，以便讓是隔熱物44可合適地構(gòu)造成能適應(yīng)噴口喉管區(qū)36和圓錐形出口區(qū)38的傾斜角。但是，因?yàn)閮?yōu)選的是三個(gè)圓頂隔熱物，(如果不是需要的話)，以便將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成有傾斜的和/或可導(dǎo)向類型的圓錐形出口，所以會(huì)成比例地增大制造、勞動(dòng)力、和材料廢料率的成本。
在尾部封閉的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑燃料填充了大部分尾部圓頂空腔，所以與上面
圖1和2所示的“尾部敞開(kāi)”發(fā)動(dòng)機(jī)形狀相比，形成了“尾部封閉”發(fā)動(dòng)機(jī)形狀。在尾部封閉的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑燃料直接粘合到隔熱材料和/或彈性襯上，或消除應(yīng)力的活葉上，而后者又粘合到隔熱材料上。過(guò)去用來(lái)隔離火箭發(fā)動(dòng)機(jī)室，以形成結(jié)合入尾部封閉火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部隔離的材料如表1-1所示，該表是海軍非保密部門的數(shù)據(jù)表，其名稱為“模塑合物、橡膠、丁腈橡膠，含酚醛樹脂與硼酸、其混合”，1966年10月13日第一次修訂，1967年9月21日第二次修改。為了方便，這樣的表如表1所示表1(現(xiàn)有技術(shù))組分 重量份(PBW)Hycar1051(丁腈彈性體) 100BKR2620(酚醛樹脂) 120硼酸(粉狀)80硬脂酸2TMTD(二硫化四甲基福美聯(lián)) 3氧化鋅5注所有組分都在混合之前稱重，每種組分的容許誤差為±2％。
橡膠的含量一般以重量份(PBW)表示。配制物的可硫化橡膠部分(在此情形下是Hycar1051)人為地規(guī)定為100PBW，所有其他組分都以相對(duì)于100PBW可硫化橡膠的PBW表示。
制備現(xiàn)有技術(shù)模塑混合物所需的上述各組分是購(gòu)買的，而且混合這些組分的方法也在上述數(shù)據(jù)表中有描述，其內(nèi)容參考結(jié)合于此。對(duì)由上述模塑混合物制成的隔熱材料進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)、測(cè)試并被批準(zhǔn)用作尾部封閉發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的隔熱材料，其中所述隔熱材料需要具有特殊的與要粘合上去的推進(jìn)劑燃料相容的性能。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中已知，該模制混合物已經(jīng)用來(lái)形成噴口固定的殼隔熱物，與圖6所示的隔熱物182相同，而且在海軍非保密部門關(guān)于Poseidon C3 Propulsion Test Program(文件號(hào)SH050-A2A01HTJ，報(bào)告號(hào)10，日期7月1日，1971)的第二部分有說(shuō)明。表1所列的現(xiàn)有技術(shù)材料用作Poseidon第二階段發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的固定殼隔熱物。起始設(shè)計(jì)、測(cè)試并被批準(zhǔn)用于尾部封閉發(fā)動(dòng)機(jī)的材料，例如如表1中所示，一般沒(méi)有就其在尾部敞開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)的使用進(jìn)行研究，這是因?yàn)槲膊糠忾]與尾部敞開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)有不同的設(shè)計(jì)限制。表1所示的材料，當(dāng)用于尾部封閉的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中時(shí)，就要嚴(yán)密控制預(yù)點(diǎn)火環(huán)境，而且發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火溫度要限制在21℃(70°F)以上，這是因?yàn)閾?dān)心其在低溫下的應(yīng)變能力。
對(duì)于本發(fā)明，尾部敞開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火環(huán)境為-1.1℃-37.8℃(30°F-100°F)。尾部敞開(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部圓頂通常有的苛刻熱-機(jī)械磨蝕環(huán)境要求隔熱物厚度增大，由此增加了固定重量，才能充分保護(hù)尾部圓頂結(jié)構(gòu)。對(duì)于有優(yōu)良耐磨蝕性的彈性體材料，例如材料如表1所示的材料，批料和產(chǎn)品重現(xiàn)性和一致性問(wèn)題以及制造中的缺陷(空隙)和隔熱物由于老化而開(kāi)裂的這些問(wèn)題，都被認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)很大，不適于尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的制造程序。
下述文獻(xiàn)是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)中已知的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱物的例子授予Junior等人的美國(guó)專利4,492,779，名稱為“用作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱物的芳族聚酰胺聚合物和粉狀填料增強(qiáng)的彈性體組合物”，它涉及使用含有芳族聚酰胺纖維、粉狀填料和可硫化彈性體組合物的組合物對(duì)固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱的方法；授予Junior等人的美國(guó)專利4,600,732，名稱為“用作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱物的聚苯并咪唑聚合物和粉狀填料增強(qiáng)的彈性體組合物”，它涉及彈性體組合物聚苯并咪唑聚合物纖維、粉狀填料和可硫化彈性體組合物；
授予Gerrish Jr.等人的美國(guó)專利4,458,595，名稱為“燒蝕襯”，它涉及一種尾部燃燒火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)有第一層聚硅氧烷橡膠和第二層燒蝕襯，所述燒蝕襯放在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼與推進(jìn)劑微粒之間；授予Rogowaski等人的美國(guó)專利4956,397，名稱為“含有可硫化彈性體和用酚醛環(huán)氧樹脂或可熔酚醛處理的纖維素的粘合促進(jìn)劑的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用的隔熱襯”，它涉及含有可硫化彈性體組合物、粉狀填料和纖維素粘合促進(jìn)劑的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用隔熱襯。
另外，本發(fā)明的發(fā)明人還知道下述美國(guó)專利授予Guillot的美國(guó)專利5,352,212，名稱為“對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱的方法”，它涉及含有熱塑性液晶聚合物、纖維和微粒填料的隔熱組合物；授予Guillot的美國(guó)專利5,399,599，名稱為“低溫用途的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱塑性彈性體內(nèi)隔熱物”，它涉及含有熱塑性彈性體、無(wú)機(jī)磷化合物，多元醇、聚硅氧烷樹脂和短纖維的隔熱物的組合物；授予Guillot的美國(guó)專利5,498,649，名稱為“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用的低密度熱塑性彈性體隔熱物”，它涉及含有熱塑性彈性體、馬來(lái)酸酐改性的EPDM、仔細(xì)選用的填料和短纖維的隔熱組合物；授予Hartwell，等人的美國(guó)專利5,762,746，名稱為“內(nèi)隔熱推進(jìn)劑燃燒室的方法”，它涉及含有多磷氮烯(polyphosazene)聚合物和有機(jī)纖維填料的組合物。
由此，能夠明白，本行業(yè)內(nèi)就需要這樣的隔熱材料，它含有這樣一些成分，與先前已知的材料和方法相比，這些成分能容易和經(jīng)濟(jì)地獲得，而且易于形成，能更有效和成本更合算地粘合到所選用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)內(nèi)。
還能夠明白，本行業(yè)內(nèi)需要這樣的隔熱材料，它能經(jīng)受在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)推進(jìn)劑燃料燃燒中所產(chǎn)生的高溫、高壓和高微粒速度，用來(lái)保護(hù)圓頂結(jié)構(gòu)和相鄰的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和航天器，而不致增大慣性重量的負(fù)擔(dān)。本行業(yè)內(nèi)的另一種需要是能夠制造要位于所選用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和部件內(nèi)的隔熱物，尤其是非對(duì)稱構(gòu)型的隔熱物，同時(shí)能將預(yù)形成這種隔熱物所需的步驟數(shù)目和復(fù)雜性減至最少。此外，還需要將制造這種隔熱物的材料廢棄量減至最少，并將制造這種隔熱物所需的難度和昂貴的多軸切削加工減至最少。
本行業(yè)內(nèi)還需要這樣的隔熱材料，它有特殊的燒蝕質(zhì)量和熱膨脹系數(shù)，和尤其適于對(duì)尾部敞開(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部件進(jìn)行隔熱的應(yīng)變模量，而且與先前已知的隔熱材料相比，它能夠以非常低的成本得到。
本行業(yè)內(nèi)又需要這樣的隔熱材料，它具有良好的老化特性，因?yàn)橹圃炝怂龈魺嵛铮瑫?huì)經(jīng)過(guò)好幾年以后裝入該隔熱物的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)才實(shí)際點(diǎn)火，因此，本行業(yè)就會(huì)由于隔熱材料老化性能的提高而獲益。
本行業(yè)內(nèi)還需要這樣的有效隔熱材料，形成這種隔熱材料的混合物時(shí)容易混合，組分分散均勻，而且可重復(fù)地提供質(zhì)量高且一致的隔熱制品。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明提供一種對(duì)其至少一個(gè)表面上面置有燒蝕性隔熱材料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱的方法。該方法包括設(shè)置至少一層可固化的燒蝕性隔熱材料在所選結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)表面上。該隔熱材料通常由可硫化橡膠、阻燃劑例如硼酸鋅、酚醛樹脂和固化物系形成，而且其中還可含有增強(qiáng)纖維。該方法優(yōu)選包括采用由包含而不局限于下述成分的混合物形成的隔熱材料丁腈橡膠、硼酸鋅、酚醛樹脂、氧化鋅、二硫化四甲基福美聯(lián)和硬脂酸。該隔熱材料還可以含有支撐性或增強(qiáng)性纖維或者纖維組分例如芳族聚酰胺纖維，棉纖維(纖維素纖維)，劍麻纖維，聚苯并咪唑纖維，玻璃棉纖維，尼龍纖維，聚酯纖維或者碳纖維。該方法也包括固化至少一層設(shè)置在至少一個(gè)表面上的可固化燒蝕性隔熱材料。
本發(fā)明還提供一種燒蝕性隔熱彈性體化酚醛樹脂材料用的組合物，它通常含有可硫化橡膠、阻燃劑例如硼酸鋅、酚醛樹脂和固化物系、而且可以含有增強(qiáng)纖維。該組合物優(yōu)選包含下述組分丁腈橡膠、硼酸鋅、酚醛樹脂、氧化鋅、二硫化四甲基福美聯(lián)和硬脂酸。各組分優(yōu)選有下述最大用量(重量份)丁腈橡膠-100、硼酸鋅-80、酚醛樹脂-120、氧化鋅-5二硫化四甲基福美聯(lián)-3和硬脂酸-2?；瘜W(xué)計(jì)量的母料優(yōu)選由機(jī)械研磨和過(guò)篩的酚醛樹脂和硼酸鋅組成，其中硼酸鋅覆蓋在研磨的樹脂顆粒上起隔離劑作用，以避免磨過(guò)的樹脂聚成較大的不可分散的顆?；蛐纬蓧K?；瘜W(xué)計(jì)量母料通過(guò)保證最大的未分散樹脂粒子的尺寸不超過(guò)100目，從而在用本發(fā)明組合物制備隔熱材料時(shí)提高重復(fù)性并改善質(zhì)量控制。
本發(fā)明還提供一種制造尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)隔熱金屬圓頂結(jié)構(gòu)。該方法包括將由預(yù)定的可固化彈性體材料形成的切變層設(shè)置到圓頂結(jié)構(gòu)的至少一部分內(nèi)表面上，然后固化粘合該切變層在圓頂結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的所選部分上。該方法還包括圍繞著成形軸預(yù)形成至少一個(gè)第一圓頂隔熱物。該第一圓頂隔熱物(或多個(gè))優(yōu)選由這樣的碳酚醛樹脂復(fù)合材料制成，它含有用預(yù)定的可固化樹脂浸漬的碳化纖維，有一個(gè)外表面和一個(gè)內(nèi)表面。然后將第一隔熱物預(yù)固化。碳酚醛樹脂或者其他高度耐磨蝕的和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料需要鄰近整體的喉管入口，這是為了保證流入噴口喉管區(qū)的燃燒氣體平穩(wěn)地過(guò)渡。該方法還包括將第一隔熱物的至少一部分切削加工成最終的形狀，并將第一隔熱物放置并粘合到切變層內(nèi)表面的所選部分上，該切變層先已放置粘合到所述結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的所選部分上。該方法還包括設(shè)置至少一個(gè)第二圓頂隔熱物(或者多個(gè))到與第一圓頂隔熱物縱向上鄰近的圓頂結(jié)構(gòu)的至少一部分內(nèi)表面上，第二圓頂隔熱物通常由可硫化橡膠、阻燃劑例如硼酸鋅、酚醛樹脂和固化物系形成，而且還可含有增強(qiáng)纖維。第二圓頂隔熱物優(yōu)選由這樣的組合物材料形成，該組合物含有至少丁腈橡膠，硼酸鋅、可固化的樹脂、二硫化四甲基福美聯(lián)、和硬脂酸。該組合物優(yōu)選通過(guò)加入含樹脂與硼酸鋅的化學(xué)計(jì)量母料的混合方法制備。然后將第二圓頂隔熱物固化粘合在圓頂結(jié)構(gòu)內(nèi)。另外，第二圓頂隔熱物還可以先預(yù)固化，切削加工成最終的輪廓，然后用環(huán)氧粘合劑粘合到圓頂結(jié)構(gòu)上。
本發(fā)明也提供對(duì)所述結(jié)構(gòu)隔熱的熱障。該熱障放置到能夠隔熱結(jié)構(gòu)至少預(yù)定部分的位置，它包含燒蝕性隔熱材料，通常由可硫化橡膠、阻燃劑例如硼酸鋅、酚醛樹脂和固化物系形成，而且還可以含有增強(qiáng)纖維。優(yōu)選地，燒蝕性隔熱材料由可固化的混合物形成，該混合物包含下述組分丁腈橡膠、硼酸鋅、酚醛樹脂、氧化鋅、二硫化四甲基福美聯(lián)和硬脂酸。該熱障也可以包括由彈性體材料形成的切變層，位于所述結(jié)構(gòu)與第二隔熱材料之間，所述第二隔熱材料由用酚醛樹脂浸漬的纖維狀材料形成，其中一部分燒蝕性隔熱材料和一部分第二隔熱材料彼此鄰接在其間形成第二粘合線。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1是有隔熱圓頂和固定類型圓錐形出口的現(xiàn)有技術(shù)尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖；圖2是有隔熱的圓頂和可導(dǎo)向類型圓錐形出口的現(xiàn)有技術(shù)尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖；圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的有固定類型圓錐形出口和隔熱圓頂?shù)奈膊砍ㄩ_(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖，圖4是體現(xiàn)本發(fā)明的有可導(dǎo)向類型圓錐形出口和隔熱圓頂?shù)奈膊砍ㄩ_(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖；圖5是體現(xiàn)本發(fā)明的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱點(diǎn)火器微粒杯的截面圖；圖6是體現(xiàn)本發(fā)明的有固定鋼殼的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱噴口的截面圖；實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式圖3和4顯示了裝有體現(xiàn)本發(fā)明的并根據(jù)本發(fā)明裝在相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的各圓頂結(jié)構(gòu)或外殼內(nèi)的隔熱材料的示范性尾部敞開(kāi)圓頂火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)72，如圖3所示，有一個(gè)固定類型的圓錐形出口，而發(fā)動(dòng)機(jī)102，如圖4所示，有一個(gè)可導(dǎo)向類型圓錐形出口。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的圓錐形出口，因而噴口和圓頂殼，均對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向中線傾斜一預(yù)定角度α。如上所述，該傾斜角能夠在0°至約10°的范圍內(nèi)變化，原因如上所述。
參見(jiàn)圖3，發(fā)動(dòng)機(jī)72通常包圍并界定著內(nèi)圓頂區(qū)74、噴口喉管區(qū)76和內(nèi)圓錐形出口區(qū)78。有固定凸緣96的圓頂殼或者結(jié)構(gòu)80有粘合在圓頂殼80的內(nèi)表面上的切變層82、尾部隔熱物84和前隔熱物86，前隔熱物86界定著圓頂區(qū)74。發(fā)動(dòng)機(jī)72的其他部分，包括由三向或者四向機(jī)織碳-碳復(fù)合物整體喉管入口(ITE)88所限定的噴口喉管區(qū)76、單向帶包繞成的碳酚醛樹脂喉管隔熱物的支撐物90、金屬合金圓錐形出口殼92和碳酚醛樹脂復(fù)合物圓錐形出口襯、或者隔熱物94，都可以以上述如
圖1所示示范性現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的相同材料和相同方式制成。
發(fā)動(dòng)機(jī)102，如圖4所示，同樣包圍著內(nèi)圓頂區(qū)104、噴口喉管區(qū)106和圓錐形出口區(qū)108。有固定凸緣130的金屬合金圓頂殼110上有切變層112、尾部隔熱物114和前隔熱物118，它們都直接或間接地粘合到構(gòu)成圓頂區(qū)104的圓頂殼110的內(nèi)表面。發(fā)動(dòng)機(jī)102的其他部分，包括由三向或者四向機(jī)織碳-碳復(fù)合物整體喉管入口120所限定的噴口喉管區(qū)106、單向帶包繞成的碳酚醛樹脂入口隔熱物的支撐物122、金屬合金圓錐形出口殼124和碳酚醛樹脂復(fù)合物圓錐形出口襯或者隔熱物126(該隔熱物126形成可導(dǎo)向類型圓錐形出口組合物，通過(guò)樞軸機(jī)構(gòu)128連接到圓頂殼110的尾端)，都可以以上述圖2所示的示范性現(xiàn)有技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的相同材料和相同方式制成。在圖3中，切變層82優(yōu)選由含有二氧化硅粉或者芳族聚酰胺纖維的彈性體材料(例如Kevlar材料)和可固化的橡膠例如乙烯丙烯二烯單體(EPDM)形成。該組合物以壓延片形式購(gòu)自BurkeRubberCompany。切變層82優(yōu)選通過(guò)將該壓延片切割修整成合適尺寸和形狀能與圓頂殼80的內(nèi)表面81貼合，手工放到圓頂殼80內(nèi)表面81所選的部分上。使用購(gòu)自LordCorp.的ChemIok 205底涂涂料和Chemlok 236粘合劑的一種優(yōu)選粘合物系，以保證切變層和圓頂殼10內(nèi)表面之間的合適粘合。但是，與
圖1所示的基本粘合到圓頂殼10的整個(gè)內(nèi)表面或其內(nèi)表面整個(gè)長(zhǎng)度上的的切變層12不同，切變層82覆蓋蓋圓頂殼110內(nèi)表面的相當(dāng)少部分，其尺寸是使它僅略微伸出在預(yù)定步驟中要粘合在圓頂殼110內(nèi)的尾部隔熱物114的前邊之外。由于圓頂殼110的較少內(nèi)表面要被覆蓋，與
圖1所示的較為縱向延伸的切變層12相比，在安裝和切削加工切變層82的表面輪廓中，就能夠節(jié)省很多時(shí)間和費(fèi)用。當(dāng)切變層82被放置并修整成合適地適合它在圓頂殼110內(nèi)要粘合的預(yù)定的面積后，接著，將形成的組合件優(yōu)選抽真空裝在袋中，在高壓釜中固化。
尾部圓頂隔熱物84以與
圖1所示尾部圓頂隔熱物14非常相似的制造步驟和優(yōu)選材料預(yù)先形成。即，將酚醛樹脂浸漬的碳化纖維帶，例如購(gòu)自EiberiteCorp.的Fiberite帶(Fiberite的產(chǎn)品號(hào)為MX4926)，包繞在成形軸上形成預(yù)制品，然后在高壓釜中固化或在液壓釜中固化。當(dāng)預(yù)形成的隔熱物84固化后，從其各自的成形軸上取下，并切削加工成能合適地貼合切變層82，以便裝在切變層82上。但是，與
圖1所示的非對(duì)稱隔熱物14不同，圖3所示的隔熱物84的表面積小得多，并且相對(duì)于其縱向也是對(duì)稱的。這樣，由于隔熱物84尺寸更小且對(duì)稱，就更易于制造，花費(fèi)更少時(shí)間，而且與加工
圖1所示非對(duì)稱預(yù)成形隔熱物14的尾部所產(chǎn)生的廢料量相比，此昂貴的帶包繞成的材料的切削量也較小。本發(fā)明的這個(gè)特征提供了比根據(jù)先前已知步驟制成的隔熱物更有為利的優(yōu)點(diǎn)。
尾部圓頂隔熱物84，當(dāng)外表面合適地切削加工準(zhǔn)備好后，并且其前邊和后邊被切削并表面加工成使這些邊分別與前圓頂隔熱物86的后邊和整體喉管入口88的前邊可以相接，就采用粘合劑例如Chemlok 205底涂料和Chemlok 236粘合劑將尾部圓頂隔熱物安裝粘合到切變層82上。粘合界面85，通常也稱為第二粘合線，在該具體例子中，它是前隔熱物86(由燒蝕性橡膠材料制成)的后邊與后隔熱物(由帶包繞成的碳酚醛樹脂復(fù)合物材料制成)的前邊相接的周邊，該粘合界面85優(yōu)選用粘合劑例如購(gòu)自Hysol-Dexter，Inc，的EA-934NA或者EA-9394預(yù)涂敷。
下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明由橡膠燒蝕材料混合物形成的壓延片，其寬度優(yōu)選達(dá)到約168cm(66英寸)，厚度約為2.5mm(約為0.1英寸)，為了形成前圓頂隔熱物86，在用橡膠硫化粘合劑例如TY-PLYBN(購(gòu)自Lord Corporation)預(yù)涂敷圓頂殼80的內(nèi)表面后，將該壓延片優(yōu)選放入圓頂殼110內(nèi)。由于尾部圓頂隔熱物84是對(duì)稱形狀的，前隔熱物86相對(duì)于其縱軸要是不對(duì)稱的。但是，燒蝕性橡膠材料壓延片的放置容易進(jìn)行，這是因?yàn)樵撈膬?yōu)選是直接放置在圓頂殼80內(nèi)，而不是圍繞成形軸進(jìn)行預(yù)成形，并隨后切削成能使圓錐形出口傾斜成預(yù)定角的最終形狀的。由所述柔韌的隔熱燒蝕橡膠片材形成前圓頂隔熱物86，而不是用帶包繞成的碳化纖維樹脂復(fù)合物材料(它必須先預(yù)成形、固化和進(jìn)行大量的切削加工)，這是本發(fā)明的另一個(gè)有利的特征。
前隔熱物86放置入圓頂殼80的至少一部分內(nèi)表面81上，優(yōu)選覆蓋切變層82其余露出的部分或內(nèi)表面83，其中切變層12優(yōu)選僅需略微伸出界面粘合線85的前邊，以保證在第二粘合線85上的牢固粘合。接著，圓頂殼80和先前安裝的切變層82，圓頂隔熱物84和86，以及先前裝上的喉管隔熱物88和喉管支撐隔熱物90都被真空裝于袋中成為一個(gè)組合件，然后優(yōu)選在高壓釜中在約143℃(290°F)溫度和約1378kPa(200psig)壓力下固化約90分鐘。
在包括圓頂隔熱物84和86的圓頂組合件完全固化并粘合在里面后，就可以切削加工界定圓頂區(qū)74的隔熱物84和86的內(nèi)表面至最終的形狀和表面光潔度。之后，圓頂組合件就能藉固定用的凸緣96安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的室體(圖中水示)上，和/或發(fā)動(dòng)機(jī)72的其他亞部件就能固定到圓頂殼80例如含有圓錐形出口殼92和圓錐形出口隔熱物94的圓錐形出口組合件上。
關(guān)于制造和安裝圖4所示具有可導(dǎo)向類型圓錐形出口的尾部敞開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)102的切變層112、尾部圓頂隔熱物114和前圓頂隔熱物116，優(yōu)選的制造步驟和采用的材料與上述制造圖3所示的發(fā)動(dòng)機(jī)72的對(duì)應(yīng)部件一樣。但是，應(yīng)當(dāng)明白，優(yōu)選以基本與尾部隔熱物84所述相同的方式由帶包繞成的碳酚醛樹脂復(fù)合材料制成的尾部隔熱物114，優(yōu)選是對(duì)于其縱軸對(duì)稱形狀的，而不是圖2所示非對(duì)稱形狀的的尾部隔熱物44。此外，尾部隔熱物114的尺寸比現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)應(yīng)尾部隔熱物44小，切變層112正如同與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)應(yīng)切變層42相比一樣。由此，也應(yīng)當(dāng)明白，發(fā)動(dòng)機(jī)32需要3個(gè)圓頂隔熱物，尾部隔熱物44、中部隔熱物46和前隔熱物48，而發(fā)動(dòng)機(jī)102僅需要有2個(gè)隔熱物，優(yōu)選對(duì)稱的碳酚醛樹脂復(fù)合物尾部隔熱物114和優(yōu)選非對(duì)稱的橡膠燒蝕性前隔熱物118。這樣完全少用了一個(gè)隔熱物，就能夠大大節(jié)省制造成本和材料成本，也能夠減少對(duì)少用的圓頂隔熱物進(jìn)行合適的追蹤并維持可追蹤性的信息資料用的成本。在制造過(guò)程早期，將前隔熱物86和118分別粘合到圓頂殼80的內(nèi)表面81和圓頂殼110內(nèi)表面111上也可以有這樣地成本節(jié)省。也不再如
圖1和2那樣需要識(shí)別和區(qū)別預(yù)形成的隔熱物和相關(guān)連的前隔熱物和中隔熱物的成形軸。
另外，分別如圖3和4所示的前隔熱物86和118能在分別安裝入圓頂殼80和110內(nèi)之前預(yù)固化和切削加工成最終形狀。前隔熱物能采用本行業(yè)內(nèi)已知的方法在真空下模塑成形至近似最終的形狀。優(yōu)選地，購(gòu)自加利弗尼亞州Pittsburgh的Hysol-Dejcter，的環(huán)氧粘合劑例如EA-934NA或者EA-9394，可用來(lái)粘合預(yù)固化的隔熱物到切變層82和112上和/或分別粘合到圓頂殼80和110上。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的是，圓頂隔熱物86和118，例如但不局限于用含有下述表2所述各組分的壓延片材形成。
表2

(PBW-重量份)
也可以不必先制成含合適比例酚醛樹脂和硼酸鋅組分的化學(xué)計(jì)量預(yù)混合母料，但是對(duì)于質(zhì)量控制和樹脂易于分散來(lái)說(shuō)，還是先制備母料為好。母料的優(yōu)選組分包括酚醛樹脂(120重量份，研磨成100目，以商品名BKR2620購(gòu)自佐治亞州Decatur的Georgia Pacific Corporation)和硼酸鋅(80重量份，以商品名Firebrake ZB購(gòu)自加利弗尼亞州洛杉磯的US Borax Co)。也有其他的供貨商可提供構(gòu)成上述混合物中各組分原料中的一部分或全部。
通常，采用下述步驟保證進(jìn)行上述原料組分合適的混合、研磨，并壓延成本發(fā)明主題的橡膠隔熱燒蝕材料的片材。
優(yōu)選使用水冷卻的Banbury混合機(jī)(購(gòu)自康涅狄格州Ansonia的FarrelCompany，在優(yōu)選和穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)混合各組分?；旌现?，用溶劑清洗Banbury混合機(jī)，并噴上白色顏料例如碳酸鈣，用以吸收過(guò)量溶劑。
接著，將丁腈橡膠(NBR)加入到混合機(jī)內(nèi)混合約1分鐘。接著，加入母料、二硫化四甲基福美聯(lián)、硬脂酸、和氧化鋅，混合至料溫達(dá)到約99℃(210°F)-約110℃(230°F)。充分混合至該溫度后，將料倒出。在倒出的料中插入溫度計(jì)，確認(rèn)其溫度是否達(dá)到上述范圍以內(nèi)。
然后，將料倒在兩輥壓延機(jī)上，并很快取出呈約0.91m×1.2m(3英尺×4英尺)的片，懸掛在冷卻用的傳送帶上冷卻至室溫。就可對(duì)冷卻的片材進(jìn)行測(cè)試，以保證符合所要求的規(guī)定。
接著，將合格的材料放到兩輥壓延機(jī)上軟化之，然后壓延成約2.5mm(1/10英寸)厚和優(yōu)選寬約83cm-168cm(33英寸-66英寸)的片。在壓延過(guò)程中，包上聚乙烯薄膜為NBR/酚醛橡膠片在裝運(yùn)和儲(chǔ)存過(guò)程中提供保護(hù)。當(dāng)壓延片要成形修整成隔熱物或者其他用本發(fā)明的該片材制成的最終制品時(shí)，先將該薄膜去掉。
本行業(yè)內(nèi)的普通技術(shù)人員感興趣的是，由于熱傳遞或燒焦和磨蝕方面的原因，與帶包繞成的酚醛材料相比，有可能需要改變本發(fā)明隔熱材料截面方向的厚度。例如，容易看到，分別在圖3和4中示出的前隔熱物86和118的截面比
圖1和2中示出的前隔熱物16和48明顯較厚，當(dāng)設(shè)計(jì)本發(fā)明材料制成的隔熱物時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮這一點(diǎn)。
可以認(rèn)為，與表1所示的現(xiàn)有技術(shù)材料相比，表2所示本發(fā)明材料所提供的意外結(jié)果是由于用硼酸鋅代替了硼酸。在根據(jù)本發(fā)明制成的隔熱物上進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明，用硼酸鋅代替硼酸可減慢材料的老化速率。老化是形成的隔熱物的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槔匣牧蠒?huì)變硬，相應(yīng)引起最終承受應(yīng)變的能力下降，即材料斷裂前的拉伸度下降?，F(xiàn)有技術(shù)材料制成的隔熱物在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)由于老化期間會(huì)發(fā)生的承受應(yīng)變能力下降，會(huì)產(chǎn)生裂縫。隔熱物內(nèi)的裂縫為高壓和高溫燃燒氣體形成離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入其它區(qū)域的通道。這個(gè)情況必定會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生災(zāi)難性故障。現(xiàn)有技術(shù)材料的老化機(jī)理已經(jīng)被深入研究過(guò)，發(fā)現(xiàn)原因是硼酸與酚醛樹脂內(nèi)的苯基和甲醇基團(tuán)反應(yīng)。該反應(yīng)頗大地提高了酚醛樹脂的交聯(lián)密度，從而降低彈性體燒蝕材料承受應(yīng)變的能力。而該反應(yīng)不會(huì)在本發(fā)明的材料內(nèi)發(fā)生，因?yàn)楸景l(fā)明用非反應(yīng)性硼酸鋅代替了硼酸。
本發(fā)明材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在固化反應(yīng)期間生成較少的水?，F(xiàn)有技術(shù)材料內(nèi)的硼酸形成含有約10％水的隔熱物，它會(huì)在隔熱物的高溫固化期間放出，而本發(fā)明材料內(nèi)的硼酸鋅形成只含約5％水的隔熱物。必須小心操作，以保證生成的水在固化期間從隔熱物中脫除，或因固化產(chǎn)生的高壓溶解于組合物中。如果水沒(méi)有脫除或者溶解，它在固化壓力消除時(shí)就會(huì)在隔熱物內(nèi)膨脹形成空隙。這樣的空隙不好，會(huì)引起缺陷，對(duì)固化隔熱物的結(jié)構(gòu)完整性有不利影響。溶解的水在隔熱物內(nèi)起增塑劑的作用，也會(huì)在老化時(shí)擴(kuò)散出來(lái)。含有較多水的現(xiàn)有技術(shù)隔熱物，比含有少量水的本發(fā)明隔熱物在老化期間會(huì)變得更硬而脆。
本發(fā)明燒蝕性隔熱物材料最一般形式可以描述為含有可硫化橡膠例如丁腈橡膠(NBR)、酚醛樹脂、阻燃劑所選橡膠用的合適固化物系。除了優(yōu)選實(shí)施方式中的NBR橡膠外，其他可硫化橡膠例如丁二烯-苯乙烯共聚物(SBR)、聚氯丁二烯、聚異戊二烯、聚氨酯、聚表氯醇、乙烯-丙烯二烯單體(EPDM)、聚丁二烯、氯化聚乙烯，鹵代丁基橡膠，也可以使用上述聚合物的混合物。除了硼酸鋅外，其他合適的阻燃物系包括三水合氧化鋁和氧化銻與氯代烴組合使用。根據(jù)所要求的阻燃度，能夠在隔熱物配方中采用1-150PBW阻燃劑。優(yōu)選的酚醛樹脂是不需硬化劑能進(jìn)行合適固化的可熔類型酚醛樹脂，但是也可以采用需要硬化劑進(jìn)行固化的其他線型酚醛清漆。對(duì)于清漆酚醛樹脂，硬化劑例如六亞甲基四胺應(yīng)當(dāng)以對(duì)所選樹脂的化學(xué)計(jì)量包含在配方內(nèi)。對(duì)于這兩種類型的樹脂，能夠使用購(gòu)自不同廠家的幾種等級(jí)中的任意產(chǎn)品。合格配方中的酚醛樹脂含量為1-300PBW。纖維也可以包含在本發(fā)明的材料配方中。合適的纖維包括芳族聚酰胺纖維、棉纖維(纖維素纖維)、劍麻纖維、聚苯并咪唑纖維、玻璃棉纖維、尼龍纖維、聚酯纖維或者碳纖維。纖維的合格含量?jī)?yōu)選局限于最大值為40PBW，因?yàn)樗鼈兊脑鰪?qiáng)度過(guò)高會(huì)形成剛性很大而難以切削加工的材料。
由上述混合物形成的燒蝕性橡膠隔熱材料被描述為尤其適于提供能夠在尾部敞開(kāi)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的圓頂區(qū)內(nèi)承受高溫、高壓和磨蝕環(huán)境的隔熱物。但是，本發(fā)明的主題隔熱材料不局限于這樣的具體用途，而是能夠用于對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件和部分進(jìn)行隔熱。例如。圖5示出了有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器顆粒杯152的點(diǎn)火器組合件150，其中本發(fā)明的主題燒蝕性隔熱材料適用作為隔熱物152，該隔熱物152包圍著前閉合空間154和點(diǎn)火器瓶156的內(nèi)部并對(duì)其隔熱。點(diǎn)火器顆粒杯152由從上述壓延片切出的圖形形成，能夠放入模具內(nèi)并固化。粘合的固體推進(jìn)劑點(diǎn)火劑粒子表示為158，而點(diǎn)火劑BKNO3顆粒表示為160。
另一種尤其適合使用本發(fā)明燒蝕性隔熱材料的用途是在圖6中所示的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)用作固定噴口殼的隔熱物。固定噴口殼的隔熱物182同樣由片材形成，該片材能夠模塑，然后粘合到固定殼188上，或者手工放置到位，抽真空裝入袋中，以前述制造并固化并分別粘合圓頂隔熱物86和118在圓頂殼80和110內(nèi)的同樣方式，固化并切削加工成最終輪廓。與固定殼的隔熱物188和粘合的尾部圓頂隔熱物預(yù)模塑物190(一般是芳族聚酰胺-填充的EPDM材料)相鄰的敞開(kāi)空腔186能經(jīng)受與上述尾部敞開(kāi)的尾部圓頂幾何結(jié)構(gòu)相似的環(huán)境。當(dāng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間，噴口圓錐形出口184導(dǎo)向一段持續(xù)時(shí)間時(shí)尤其如此。發(fā)動(dòng)機(jī)室隔熱物192一般由芳族聚酰胺填充的EPDM材料形成。固體推進(jìn)劑粒子表示為194。此外，使用本發(fā)明的燒蝕材料不必具體限制于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它也能用于航天工業(yè)之內(nèi)和之外需要這種能夠承受燃料燃燒形成的苛刻的高溫、高壓和磨蝕環(huán)境的材料的其他用途。
本行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員會(huì)明白由所附權(quán)利要求的限定的本發(fā)明并不限于上述的具體細(xì)節(jié)。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍情形下，可以有多種變化。
權(quán)利要求
1.一種制造尾部敞開(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(102)的內(nèi)隔熱圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)的方法，其特征在于將由預(yù)定的彈性體材料形成的切變覆層(82，112)放置到縱向伸展的圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)的內(nèi)表面(81，111)的至少一個(gè)所選的部分上；至少將該切變覆層(82，112)固化和粘合到圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)的內(nèi)表面(81，111)的所選的部分上；預(yù)形成酚醛樹脂復(fù)合材料的第一圓頂隔熱層(84，114)，所述復(fù)合材料含有用預(yù)定的可固化樹脂浸漬的纖維，所述第一圓頂隔熱層通常具有一個(gè)外表面和一個(gè)內(nèi)表面；預(yù)固化該第一隔熱層(84，114)；切削加工該至少一部分第一隔熱物(84，114)；將該第一隔熱物(84，114)切削加工過(guò)的部分定位并粘合到切變覆層(82，112)內(nèi)表面(83)的選出部分上，所述切變覆層至少預(yù)先放置并粘合到該內(nèi)表面(83)的所選的部分上；形成具有預(yù)定厚度的壓延片的第二圓頂隔熱物(86，118)，以最大重量份數(shù)計(jì)，該壓延片材料含有可固化的橡膠成分-100、阻燃劑成分-80、酚醛樹脂成分-120、固化物系成分-10；將第二可固化燒蝕性圓頂隔熱物(86，118)放置到縱向與第一圓頂隔熱物(84，114)最近的圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)的內(nèi)表面(81，111)的至少一部分上；在圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)內(nèi)粘合并固化該第二圓頂隔熱層(86，118)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括將該第二圓頂隔熱層(86，118)與該第一圓頂隔熱層(84，114)連接，形成粘合界面，將該第二圓頂隔熱物(86，118)放置在切變覆層(82，112)的一部分上，并將該第二圓頂隔熱物(86，118)粘合于其上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在形成于第一(84，114)和第二(86，118)圓頂隔熱層之間的粘合界面上施加環(huán)氧粘合劑。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在所述圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)中要放置第二圓頂隔熱層(86，118)的內(nèi)表面(81，111)上預(yù)涂敷一種粘合劑。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在將切變覆層(82，112)至少放置到圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)內(nèi)表面(81，111)的所選的部分上之后，在約143℃溫度和約1378kPa壓力下固化該切變覆層(82，112)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在第一圓頂隔熱層(84，114)在預(yù)定高溫和預(yù)定壓力下圍繞一成形軸預(yù)形成以后將其固化。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括將第二圓頂隔熱層(86，118)放置到圓頂結(jié)構(gòu)(80，110)內(nèi)表面(81，111)的至少一部分上以后將它進(jìn)行粘合。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括選擇用作形成第二圓頂隔熱物的壓延片材料，所述壓延片材包含至少一種可固化橡膠，選自丁腈橡膠(NBR)、乙烯丙稀二烯單體(EPDM)、丁苯橡膠(SBR)、聚氯丁二烯、聚異戊二烯、聚氨酯、聚表氯醇、聚丁二烯、氯化聚乙烯、鹵代丁基橡膠；至少一種阻燃劑，該阻燃劑包括至少一種選自三水合氧化鋁、硼酸鋅和氧化銻與氯代烴組合使用的物質(zhì)；酚醛樹脂，選自可熔類型酚醛樹脂和線型酚醛清漆樹脂。至少一種固化物系成分，它適于所選出的至少一種可固化橡膠。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述放置由彈性體材料形成的切變覆層(82，112)包括放置含有彈性體材料和至少一種選自二氧化硅和芳族聚酰胺的物質(zhì)的切變覆層(82，112)，所述彈性體材料含有乙烯丙烯二烯單體。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述形成具有預(yù)定厚度的壓延片材的第二圓頂隔熱層(86，118)包括形成第二圓頂隔熱物(86，118)該第二圓頂隔熱物包括至少一種選自芳族聚酰胺纖維、棉纖維、纖維素纖維、劍麻纖維、聚苯甲酰胺吡咯纖維、礦物棉纖維、尼龍纖維、聚酯纖維和碳纖維的纖維物質(zhì)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括將酚醛樹脂成分和阻燃劑成分預(yù)稱重然后預(yù)混合，形成化學(xué)計(jì)量母料，其中阻燃劑用作隔離劑，用來(lái)抑制酚醛樹脂的聚集，隨后加入其他成分。
12.一種將燒蝕性隔熱材料形成為片材的方法，其特征在于在不超過(guò)約110℃的溫度范圍內(nèi)，混合含有下述成分的組合物，各成分的最大重量份數(shù)(PBW)不超過(guò)約100PBW至少一種可固化橡膠、約80PBW至少一種阻燃劑、120PBW至少一種酚醛樹脂、約10PBW至少一種固化物系成分；研磨混合的組合物，并將磨過(guò)的組合物壓延成預(yù)定厚度和寬度的片材。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，它還包括研磨和過(guò)篩所述至少一種酚醛樹脂，并將研磨過(guò)并過(guò)篩的酚醛樹脂和阻燃劑成分預(yù)稱重，然后預(yù)混合，形成化學(xué)計(jì)量母料，其中至少一種阻燃劑用作隔離劑，用以抑制酚醛樹脂的聚集。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于對(duì)下述成分的組合物的混合包括混合至少一種可固化的橡膠，所述橡膠選自丁腈橡膠(NBR)、乙烯丙稀二烯單體(EPDM)、丁苯橡膠(SBR)、聚氯丁二烯、聚異戊二烯、聚氨酯、聚表氯醇、聚丁二烯、氯化聚乙烯、鹵代丁基橡膠；混合至少一種選自三水合氧化鋁、硼酸鋅和氧化銻與氯代烴組合使用的阻燃劑；混合選自可熔類型酚醛樹脂和線型酚醛清漆類型的酚醛樹脂?；旌现辽僖环N適合于所選用可固化橡膠的固化物系成分。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，它還包括對(duì)可固化橡膠混合約1分鐘后才加入其他各組分。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，它還包括，將研磨過(guò)的組合物大約冷卻至室溫的溫度，再壓延該研磨過(guò)的組合物。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種尤其適用于對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所選出的部件進(jìn)行隔熱的彈性體化的酚醛樹脂燒蝕性隔熱物，和制備該彈性體化的燒蝕性隔熱物的組合物。此外，本發(fā)明還揭示了由所述組合物形成的材料的壓延片的制造方法。所揭示組合物的優(yōu)選組分包括丁腈橡膠、硼酸鋅和酚醛樹脂，所述酚醛樹脂能夠固化并粘合到尾部敞開(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和其它火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的圓頂之類的結(jié)構(gòu)上。
文檔編號(hào)B29L31/00GK1641200SQ200410011439
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2000年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月8日
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