本發(fā)明屬于火箭發(fā)動機殼體成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管一體成型方法。

背景技術(shù)：

研制高質(zhì)量比固體發(fā)動機是固體推進技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)?；鸺l(fā)動機的消極質(zhì)量會降低火箭的運載能力，越往上面級，這種影響越大。

纖維纏繞發(fā)動機殼體可有效降低發(fā)動機殼體的消極重量，是未來發(fā)動機殼體的主要發(fā)展方向，但常規(guī)的纖維纏繞發(fā)動機殼體通常還要通過后封頭與噴管上的金屬法蘭連接，消極重量仍然較大，降低了固體火箭發(fā)動機的質(zhì)量比，從而很大程度上影響了固體火箭發(fā)動機的使用性能，且制造裝配過程繁雜、周期較長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是要針對傳統(tǒng)加工方法的不足，提供一種能有效提高發(fā)動機質(zhì)量比的發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管一體成型方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的發(fā)動機復(fù)合材料殼體及噴管一體成型方法，是將噴管與發(fā)動機復(fù)合材料殼體快捷高效合為一個整體的過程，所述發(fā)動機復(fù)合材料殼體包括殼體主體部分及連接在殼體主體部分前端的前接頭，該方法包括如下步驟：

1)分別成型噴管、前接頭、前裙、后裙、水溶性石英砂芯模及芯軸，其中：水溶性石英砂芯模的外型面與發(fā)動機復(fù)合材料殼體內(nèi)型面一致，噴管包括收斂段、背襯、喉襯、擴散段及噴管殼體；

2)將水溶性石英砂芯模套裝在芯軸上后，在水溶性石英砂芯模中間筒段周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，在水溶性石英砂芯模前段外表面、以及在水溶性石英砂芯模后段外表面且延伸至芯軸后軸的錐面均涂刷一層脫模劑；

3)在前接頭的內(nèi)表面及噴管收斂段的內(nèi)表面均貼有若干層三元乙丙橡膠絕熱層，將前接頭安裝到經(jīng)過步驟2)處理后的水溶性石英砂芯模前段的前端并固定在芯軸的前軸上，將噴管安裝到芯軸后軸上，且噴管的收斂段貼合于水溶性石英砂芯模后段的后端和芯軸后軸的錐面；

4)在前接頭外表面、水溶性石英砂芯模外表面及噴管收斂段外表面均貼有若干層三元乙丙橡膠絕熱層，然后采用雙曲線縱向纏繞與環(huán)向纏繞相交替的方式對前接頭外表面、水溶性石英砂芯模外表面及噴管收斂段外表面的三元乙丙橡膠絕熱層進行一體化纏繞，并固化；

5)經(jīng)過步驟4)纏繞、固化后，將前裙安裝到水溶性石英砂芯模前段纏繞層上，將后裙安裝到水溶性石英砂芯模后段纏繞層上，并對前裙和后裙進行纏繞固化；

6)對前裙和后裙的裙部位環(huán)向纏繞、固化完成后，脫模得到帶噴管的發(fā)動機復(fù)合材料殼體。

進一步地，所述步驟1)中，水溶性石英砂芯模按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比為100∶(3～5)∶8的比例配制石英砂混合膠粘劑，固化得到水溶性石英砂芯模；前接頭和噴管殼體的材質(zhì)均為鋁合金鍛件材料或鈦合金鍛件材料；噴管的喉襯采用的材料為C/C復(fù)合材料，噴管的收斂段、擴散段、背襯采用的材料均為高硅氧玻璃/酚醛防熱復(fù)合材料。

進一步地，所述步驟3)中，前接頭與前端固定法蘭盤連接，前端固定法蘭盤通過前端固定卡爪固定在芯軸的前軸上；噴管擴散段的后端與后端固定法蘭盤連接，后端固定法蘭盤通過后端連接裝置固定在芯軸的后軸上；且芯軸后軸上套有固定塊，固定塊襯在噴管的擴散段處，固定塊與芯軸同軸固定。

進一步地，所述步驟4)中，雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，交替纏繞2～3次，每次雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞的次數(shù)均為2～4層，纏繞張力控制為15～25N/股；所述步驟6)，對前裙和后裙的裙部位環(huán)向纏繞所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，且環(huán)向纏繞2～4層，纏繞張力控制為15～25N/股。

進一步地，所述步驟3)和步驟4)中，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑。

進一步地，所述步驟5)中，前裙和后裙均采用碳纖維預(yù)浸料鋪層；且前裙與前裙安裝卡爪的后端連接，前裙安裝卡爪的前端通過前端連接裝置固定安裝到芯軸前軸上，后裙與后裙安裝卡爪的前端連接，后裙安裝卡爪的后端通過后端連接裝置固定安裝到芯軸后軸上。

進一步地，所述步驟4)和所述步驟5)中，通過程序升溫的固化制度進行固化：以1～3℃/min的升溫速度至110℃保溫1.5～3小時，再依次升至130℃保溫2～4小時、升至150℃保溫3～5小時、升至170℃保溫8～12小時，最后以不大于4℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化。

進一步地，所述步驟6)中，將前裙安裝卡爪、后裙安裝卡爪和前端固定卡爪拆除，再從水溶性石英砂芯模前端用高壓水槍對水溶性石英砂芯模進行沖洗以溶解芯模，并從前端取出芯軸，然后清除水溶性石英砂芯模中間筒段周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：本發(fā)明的發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管一體化成型技術(shù)，取消了現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)動機殼體與噴管法蘭連接結(jié)構(gòu)，在噴管組件裝配到位后，與發(fā)動機復(fù)合材料殼體一并纏繞固化成型，去除了后接頭、連接件等金屬部件，能有效提高發(fā)動機質(zhì)量比，提高了固體火箭發(fā)動機的使用性能；同時取消了發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管的裝配工序，有效縮短發(fā)動機復(fù)合材料殼體、噴管的裝配制造周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管一體化結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為圖1中噴管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實施例中纏繞工裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實施例中前后裙上裙工裝結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：前接頭1、固定塊2、前裙3(其中：前裙安裝卡爪31)、纏繞層4、后裙5(其中：后裙安裝卡爪51)、噴管6(其中：收斂段61、背襯62、喉襯63、擴散段64、噴管殼體65)、水溶性石英砂芯模7(其中：前段71、中間筒段72、后段73)、芯軸8(其中：前軸81、后軸82、錐面83)、前段固定裝置9、后端固定裝置10、前端固定法蘭盤11、前端固定卡爪12、后端固定卡爪13。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，便于更清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構(gòu)成限定。

如圖1所示為發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管一體成型結(jié)構(gòu)，包括噴管6與發(fā)動機復(fù)合材料殼體，發(fā)動機復(fù)合材料殼體包括殼體主體部分及連接在殼體主體部分前端的前接頭1，結(jié)合圖2、圖3及圖4所示，具體一體成型工藝如下所示：

實施例1

1)分別成型噴管6、前接頭1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯軸8，其中：水溶性石英砂芯模7的外型面與發(fā)動機復(fù)合材料殼體內(nèi)型面一致，噴管6包括收斂段61、背襯62、喉襯63、擴散段64及噴管殼體65；

本實施例中，水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比為100∶4∶8的比例配制石英砂混合膠粘劑，固化得到水溶性石英砂芯模7；前接頭1和噴管殼體65的材質(zhì)均為鋁合金鍛件材料或鈦合金鍛件材料；噴管6的喉襯63采用的材料為C/C復(fù)合材料，噴管6的收斂段61、擴散段64、背襯62采用的材料均為高硅氧玻璃/酚醛防熱復(fù)合材料；

2)將水溶性石英砂芯模7套裝在芯軸8上后，在水溶性石英砂芯模7中間筒段72周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，在水溶性石英砂芯模7前段71外表面、以及在水溶性石英砂芯模7后段73外表面且延伸至芯軸8后軸82的錐面83均涂刷一層脫模劑；

3)在前接頭1的內(nèi)表面及噴管收斂段的內(nèi)表面均貼有兩層三元乙丙橡膠絕熱層；然后將前接頭1安裝到經(jīng)過步驟2處理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端，前接頭1與前端固定法蘭盤11連接，前端固定法蘭盤11通過前端固定卡爪12固定在芯軸8的前軸81上；將噴管6安裝到芯軸8后軸82上，使得噴管6的收斂段61貼合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯軸8后軸82的錐面83，噴管6擴散段64的后端通過后端固定卡爪13固定在芯軸8的后軸82上；另外，芯軸8后軸82上套有固定塊2，固定塊2襯在噴管6的擴散段64處，固定塊2與芯軸8同軸固定；

本實施例中，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，以增加三元乙丙橡膠絕熱層間的表面粘接力；

4)在前接頭1外表面、水溶性石英砂芯模6外表面及噴管6收斂段61外表面均貼有兩層三元乙丙橡膠絕熱層，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，以增加橡膠層間的表面粘接力；然后采用雙曲線縱向纏繞與環(huán)向纏繞相交替的方式對前接頭1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及噴管6收斂段61外表面的三元乙丙橡膠絕熱層進行一體化纏繞，并固化；

其中，雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，交替纏繞3次，每次雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞的次數(shù)均為4層，纏繞張力控制為18N/股；通過程序升溫的固化制度進行固化：以2℃/min的升溫速度至110℃保溫2小時，再依次升至130℃保溫3小時、升至150℃保溫3小時、升至170℃保溫8小時，最后以3℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化；

5)經(jīng)過步驟4纏繞、固化后，前裙3和后裙5均采用碳纖維預(yù)浸料鋪層，然后將前裙3安裝到水溶性石英砂芯模7前段71纏繞層4上，前裙3與前裙安裝卡爪31的后端連接，前裙安裝卡爪31的前端通過前端連接裝置9固定安裝到芯軸8前軸81上，將后裙5安裝到水溶性石英砂芯模7后段73纏繞層4上，后裙5與后裙安裝卡爪51的前端連接，后裙安裝卡爪51的后端通過后端連接裝置10固定安裝到芯軸8后軸82上，并對前裙3和后裙5進行纏繞固化；

本實施例中，對前裙3和后裙5的裙部位環(huán)向纏繞4層，所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，且纏繞張力控制為20N/股；然后固化，本實施了中，通過程序升溫的固化制度進行固化：以2℃/min的升溫速度至110℃保溫2小時，再依次升至130℃保溫3小時、升至150℃保溫3小時、升至170℃保溫8小時，最后以3℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化；

6)將前裙安裝卡爪31、后裙安裝卡爪51、前端固定卡爪12和前端固定法蘭盤11依次拆除，再從水溶性石英砂芯模7前端71用高壓水槍對水溶性石英砂芯模7進行沖洗以溶解芯模，并從前端71取出芯軸8，然后清除水溶性石英砂芯模7中間筒段72周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得殼體內(nèi)壁清潔干凈，吹干殘留的水分，得到帶噴管的發(fā)動機復(fù)合材料殼體。

實施例2

1)分別成型噴管6、前接頭1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯軸8，其中：水溶性石英砂芯模7的外型面與發(fā)動機復(fù)合材料殼體內(nèi)型面一致，噴管6包括收斂段61、背襯62、喉襯63、擴散段64及噴管殼體65；

本實施例中，水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比為100∶5∶8的比例配制石英砂混合膠粘劑，固化得到水溶性石英砂芯模7；前接頭1和噴管殼體65的材質(zhì)均為鋁合金鍛件材料或鈦合金鍛件材料；噴管6的喉襯63采用的材料為C/C復(fù)合材料，噴管6的收斂段61、擴散段64、背襯62采用的材料均為高硅氧玻璃/酚醛防熱復(fù)合材料；

2)將水溶性石英砂芯模7套裝在芯軸8上后，在水溶性石英砂芯模7中間筒段72周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，在水溶性石英砂芯模7前段71外表面、以及在水溶性石英砂芯模7后段73外表面且延伸至芯軸8后軸82的錐面83均涂刷一層脫模劑；

3)在前接頭1的內(nèi)表面及噴管收斂段的內(nèi)表面均貼有三層三元乙丙橡膠絕熱層；然后將前接頭1安裝到經(jīng)過步驟2處理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端，前接頭1與前端固定法蘭盤11連接，前端固定法蘭盤11通過前端固定卡爪12固定在芯軸8的前軸81上；將噴管6安裝到芯軸8后軸82上，使得噴管6的收斂段61貼合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯軸8后軸82的錐面83，噴管6擴散段64的后端通過后端固定卡爪13固定在芯軸8的后軸82上；另外，芯軸8后軸82上套有固定塊2，固定塊2襯在噴管6的擴散段64處，固定塊2與芯軸8同軸固定；

本實施例中，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，以增加三元乙丙橡膠絕熱層間的表面粘接力；

4)在前接頭1外表面、水溶性石英砂芯模6外表面及噴管6收斂段61外表面均貼有三層三元乙丙橡膠絕熱層，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，以增加橡膠層間的表面粘接力；然后采用雙曲線縱向纏繞與環(huán)向纏繞相交替的方式對前接頭1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及噴管6收斂段61外表面的三元乙丙橡膠絕熱層進行一體化纏繞，并固化；

其中，雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，交替纏繞2次，每次雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞的次數(shù)均為3層，纏繞張力控制為20N/股；通過程序升溫的固化制度進行固化：以3℃/min的升溫速度至110℃保溫1.5小時，再依次升至130℃保溫2小時、升至150℃保溫5小時、升至170℃保溫10小時，最后以4℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化；

5)經(jīng)過步驟4纏繞、固化后，前裙3和后裙5均采用碳纖維預(yù)浸料鋪層，然后將前裙3安裝到水溶性石英砂芯模7前段71纏繞層4上，前裙3與前裙安裝卡爪31的后端連接，前裙安裝卡爪31的前端通過前端連接裝置9固定安裝到芯軸8前軸81上，將后裙5安裝到水溶性石英砂芯模7后段73纏繞層4上，后裙5與后裙安裝卡爪51的前端連接，后裙安裝卡爪51的后端通過后端連接裝置10固定安裝到芯軸8后軸82上，并對前裙3和后裙5進行纏繞固化；

本實施例中，對前裙3和后裙5的裙部位環(huán)向纏繞4層，所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，且纏繞張力控制為25N/股；然后固化，本實施了中，通過程序升溫的固化制度進行固化：以3℃/min的升溫速度至110℃保溫1.5小時，再依次升至130℃保溫2小時、升至150℃保溫5小時、升至170℃保溫10小時，最后以4℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化；

6)將前裙安裝卡爪31、后裙安裝卡爪51、前端固定卡爪12和前端固定法蘭盤11依次拆除，再從水溶性石英砂芯模7前端71用高壓水槍對水溶性石英砂芯模7進行沖洗以溶解芯模，并從前端71取出芯軸8，然后清除水溶性石英砂芯模7中間筒段72周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得殼體內(nèi)壁清潔干凈，吹干殘留的水分，得到帶噴管的發(fā)動機復(fù)合材料殼體。

實施例3

1)分別成型噴管6、前接頭1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯軸8，其中：水溶性石英砂芯模7的外型面與發(fā)動機復(fù)合材料殼體內(nèi)型面一致，噴管6包括收斂段61、背襯62、喉襯63、擴散段64及噴管殼體65；

本實施例中，水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比為100∶3∶8的比例配制石英砂混合膠粘劑，固化得到水溶性石英砂芯模7；前接頭1和噴管殼體65的材質(zhì)均為鋁合金鍛件材料或鈦合金鍛件材料；噴管6的喉襯63采用的材料為C/C復(fù)合材料，噴管6的收斂段61、擴散段64、背襯62采用的材料均為高硅氧玻璃/酚醛防熱復(fù)合材料；

2)將水溶性石英砂芯模7套裝在芯軸8上后，在水溶性石英砂芯模7中間筒段72周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，在水溶性石英砂芯模7前段71外表面、以及在水溶性石英砂芯模7后段73外表面且延伸至芯軸8后軸82的錐面83均涂刷一層脫模劑；

3)在前接頭1的內(nèi)表面及噴管收斂段的內(nèi)表面均貼有三層三元乙丙橡膠絕熱層；然后將前接頭1安裝到經(jīng)過步驟2處理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端，前接頭1與前端固定法蘭盤11連接，前端固定法蘭盤11通過前端固定卡爪12固定在芯軸8的前軸81上；將噴管6安裝到芯軸8后軸82上，使得噴管6的收斂段61貼合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯軸8后軸82的錐面83，噴管6擴散段64的后端通過后端固定卡爪13固定在芯軸8的后軸82上；另外，芯軸8后軸82上套有固定塊2，固定塊2襯在噴管6的擴散段64處，固定塊2與芯軸8同軸固定；

本實施例中，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，以增加三元乙丙橡膠絕熱層間的表面粘接力；

4)在前接頭1外表面、水溶性石英砂芯模6外表面及噴管6收斂段61外表面均貼有三層三元乙丙橡膠絕熱層，相鄰三元乙丙橡膠絕熱層之間涂刷三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，以增加橡膠層間的表面粘接力；然后采用雙曲線縱向纏繞與環(huán)向纏繞相交替的方式對前接頭1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及噴管6收斂段61外表面的三元乙丙橡膠絕熱層進行一體化纏繞，并固化；

其中，雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，交替纏繞3次，每次雙曲線縱向纏繞和環(huán)向纏繞的次數(shù)均為2層，纏繞張力控制為15N/股；通過程序升溫的固化制度進行固化：以1℃/min的升溫速度至110℃保溫3小時，再依次升至130℃保溫4小時、升至150℃保溫4.5小時、升至170℃保溫12小時，最后以4℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化；

5)經(jīng)過步驟4纏繞、固化后，前裙3和后裙5均采用碳纖維預(yù)浸料鋪層，然后將前裙3安裝到水溶性石英砂芯模7前段71纏繞層4上，前裙3與前裙安裝卡爪31的后端連接，前裙安裝卡爪31的前端通過前端連接裝置9固定安裝到芯軸8前軸81上，將后裙5安裝到水溶性石英砂芯模7后段73纏繞層4上，后裙5與后裙安裝卡爪51的前端連接，后裙安裝卡爪51的后端通過后端連接裝置10固定安裝到芯軸8后軸82上，并對前裙3和后裙5進行纏繞固化；

本實施例中，對前裙3和后裙5的裙部位環(huán)向纏繞2層，所采用的材料均為纖維增強環(huán)氧樹脂，且纏繞張力控制為18N/股；然后固化，本實施了中，通過程序升溫的固化制度進行固化：以1℃/min的升溫速度至110℃保溫3小時，再依次升至130℃保溫4小時、升至150℃保溫4.5小時、升至170℃保溫12小時，最后以4℃/min的降溫速度，降溫至室溫即完成固化；

6)將前裙安裝卡爪31、后裙安裝卡爪51、前端固定卡爪12和前端固定法蘭盤11依次拆除，再從水溶性石英砂芯模7前端71用高壓水槍對水溶性石英砂芯模7進行沖洗以溶解芯模，并從前端71取出芯軸8，然后清除水溶性石英砂芯模7中間筒段72周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得殼體內(nèi)壁清潔干凈，吹干殘留的水分，得到帶噴管的發(fā)動機復(fù)合材料殼體。

上述三個實施例制備的3臺帶噴管的發(fā)動機復(fù)合材料殼體，平均質(zhì)量減輕了15％，發(fā)動機質(zhì)量比提高了2％，殼體水壓試驗爆破壓力分別為12.1MPa、11.7MPa、12.4MPa(設(shè)計要求為11MPa)；由于取消了殼體與噴管的裝配工序，發(fā)動機殼體、噴管的裝配制造周期縮短了3～5個小時。

本實施例中取消了現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)動機殼體與噴管法蘭連接結(jié)構(gòu)，在噴管組件裝配到位后，與發(fā)動機復(fù)合材料殼體一并纏繞固化成型，去除了后接頭、連接件等金屬部件，能有效提高發(fā)動機質(zhì)量比，提高了固體火箭發(fā)動機的使用性能；同時取消了發(fā)動機復(fù)合材料殼體與噴管的裝配工序，有效縮短發(fā)動機復(fù)合材料殼體、噴管的裝配制造周期。