发动机复合材料壳体与喷管一体成型方法与流程

本发明属于火箭发动机壳体成型技术领域，具体涉及一种发动机复合材料壳体与喷管一体成型方法。

背景技术：

研制高质量比固体发动机是固体推进技术的发展目标。火箭发动机的消极质量会降低火箭的运载能力，越往上面级，这种影响越大。

纤维缠绕发动机壳体可有效降低发动机壳体的消极重量，是未来发动机壳体的主要发展方向，但常规的纤维缠绕发动机壳体通常还要通过后封头与喷管上的金属法兰连接，消极重量仍然较大，降低了固体火箭发动机的质量比，从而很大程度上影响了固体火箭发动机的使用性能，且制造装配过程繁杂、周期较长。

技术实现要素：

本发明的目的就是要针对传统加工方法的不足，提供一种能有效提高发动机质量比的发动机复合材料壳体与喷管一体成型方法。

为实现上述目的，本发明所设计的发动机复合材料壳体及喷管一体成型方法，是将喷管与发动机复合材料壳体快捷高效合为一个整体的过程，所述发动机复合材料壳体包括壳体主体部分及连接在壳体主体部分前端的前接头，该方法包括如下步骤：

1)分别成型喷管、前接头、前裙、后裙、水溶性石英砂芯模及芯轴，其中：水溶性石英砂芯模的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致，喷管包括收敛段、背衬、喉衬、扩散段及喷管壳体；

2)将水溶性石英砂芯模套装在芯轴上后，在水溶性石英砂芯模中间筒段周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜，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轴后轴的锥面均涂刷一层脱模剂；

3)在前接头的内表面及喷管收敛段的内表面均贴有若干层三元乙丙橡胶绝热层，将前接头安装到经过步骤2)处理后的水溶性石英砂芯模前段的前端并固定在芯轴的前轴上，将喷管安装到芯轴后轴上，且喷管的收敛段贴合于水溶性石英砂芯模后段的后端和芯轴后轴的锥面；

4)在前接头外表面、水溶性石英砂芯模外表面及喷管收敛段外表面均贴有若干层三元乙丙橡胶绝热层，然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相交替的方式对前接头外表面、水溶性石英砂芯模外表面及喷管收敛段外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕，并固化；

5)经过步骤4)缠绕、固化后，将前裙安装到水溶性石英砂芯模前段缠绕层上，将后裙安装到水溶性石英砂芯模后段缠绕层上，并对前裙和后裙进行缠绕固化；

6)对前裙和后裙的裙部位环向缠绕、固化完成后，脱模得到带喷管的发动机复合材料壳体。

进一步地，所述步骤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为100∶(3～5)∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂，固化得到水溶性石英砂芯模；前接头和喷管壳体的材质均为铝合金锻件材料或钛合金锻件材料；喷管的喉衬采用的材料为C/C复合材料，喷管的收敛段、扩散段、背衬采用的材料均为高硅氧玻璃/酚醛防热复合材料。

进一步地，所述步骤3)中，前接头与前端固定法兰盘连接，前端固定法兰盘通过前端固定卡爪固定在芯轴的前轴上；喷管扩散段的后端与后端固定法兰盘连接，后端固定法兰盘通过后端连接装置固定在芯轴的后轴上；且芯轴后轴上套有固定块，固定块衬在喷管的扩散段处，固定块与芯轴同轴固定。

进一步地，所述步骤4)中，双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，交替缠绕2～3次，每次双曲线纵向缠绕和环向缠绕的次数均为2～4层，缠绕张力控制为15～25N/股；所述步骤6)，对前裙和后裙的裙部位环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，且环向缠绕2～4层，缠绕张力控制为15～25N/股。

进一步地，所述步骤3)和步骤4)中，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂。

进一步地，所述步骤5)中，前裙和后裙均采用碳纤维预浸料铺层；且前裙与前裙安装卡爪的后端连接，前裙安装卡爪的前端通过前端连接装置固定安装到芯轴前轴上，后裙与后裙安装卡爪的前端连接，后裙安装卡爪的后端通过后端连接装置固定安装到芯轴后轴上。

进一步地，所述步骤4)和所述步骤5)中，通过程序升温的固化制度进行固化：以1～3℃/min的升温速度至110℃保温1.5～3小时，再依次升至130℃保温2～4小时、升至150℃保温3～5小时、升至170℃保温8～12小时，最后以不大于4℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化。

进一步地，所述步骤6)中，将前裙安装卡爪、后裙安装卡爪和前端固定卡爪拆除，再从水溶性石英砂芯模前端用高压水枪对水溶性石英砂芯模进行冲洗以溶解芯模，并从前端取出芯轴，然后清除水溶性石英砂芯模中间筒段周围包裹的聚四氟乙烯薄膜。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明的发动机复合材料壳体与喷管一体化成型技术，取消了现有技术中发动机壳体与喷管法兰连接结构，在喷管组件装配到位后，与发动机复合材料壳体一并缠绕固化成型，去除了后接头、连接件等金属部件，能有效提高发动机质量比，提高了固体火箭发动机的使用性能；同时取消了发动机复合材料壳体与喷管的装配工序，有效缩短发动机复合材料壳体、喷管的装配制造周期。

附图说明

图1为本发明发动机复合材料壳体与喷管一体化结构的示意图；

图2为图1中喷管的结构示意图；

图3为本实施例中缠绕工装结构示意图；

图4为本实施例中前后裙上裙工装结构示意图。

其中：前接头1、固定块2、前裙3(其中：前裙安装卡爪31)、缠绕层4、后裙5(其中：后裙安装卡爪51)、喷管6(其中：收敛段61、背衬62、喉衬63、扩散段64、喷管壳体65)、水溶性石英砂芯模7(其中：前段71、中间筒段72、后段73)、芯轴8(其中：前轴81、后轴82、锥面83)、前段固定装置9、后端固定装置10、前端固定法兰盘11、前端固定卡爪12、后端固定卡爪13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示为发动机复合材料壳体与喷管一体成型结构，包括喷管6与发动机复合材料壳体，发动机复合材料壳体包括壳体主体部分及连接在壳体主体部分前端的前接头1，结合图2、图3及图4所示，具体一体成型工艺如下所示：

实施例1

1)分别成型喷管6、前接头1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯轴8，其中：水溶性石英砂芯模7的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致，喷管6包括收敛段61、背衬62、喉衬63、扩散段64及喷管壳体65；

本实施例中，水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶4∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂，固化得到水溶性石英砂芯模7；前接头1和喷管壳体65的材质均为铝合金锻件材料或钛合金锻件材料；喷管6的喉衬63采用的材料为C/C复合材料，喷管6的收敛段61、扩散段64、背衬62采用的材料均为高硅氧玻璃/酚醛防热复合材料；

2)将水溶性石英砂芯模7套装在芯轴8上后，在水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜，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外表面且延伸至芯轴8后轴82的锥面83均涂刷一层脱模剂；

3)在前接头1的内表面及喷管收敛段的内表面均贴有两层三元乙丙橡胶绝热层；然后将前接头1安装到经过步骤2处理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端，前接头1与前端固定法兰盘11连接，前端固定法兰盘11通过前端固定卡爪12固定在芯轴8的前轴81上；将喷管6安装到芯轴8后轴82上，使得喷管6的收敛段61贴合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯轴8后轴82的锥面83，喷管6扩散段64的后端通过后端固定卡爪13固定在芯轴8的后轴82上；另外，芯轴8后轴82上套有固定块2，固定块2衬在喷管6的扩散段64处，固定块2与芯轴8同轴固定；

本实施例中，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂，以增加三元乙丙橡胶绝热层间的表面粘接力；

4)在前接头1外表面、水溶性石英砂芯模6外表面及喷管6收敛段61外表面均贴有两层三元乙丙橡胶绝热层，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂，以增加橡胶层间的表面粘接力；然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相交替的方式对前接头1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及喷管6收敛段61外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕，并固化；

其中，双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，交替缠绕3次，每次双曲线纵向缠绕和环向缠绕的次数均为4层，缠绕张力控制为18N/股；通过程序升温的固化制度进行固化：以2℃/min的升温速度至110℃保温2小时，再依次升至130℃保温3小时、升至150℃保温3小时、升至170℃保温8小时，最后以3℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化；

5)经过步骤4缠绕、固化后，前裙3和后裙5均采用碳纤维预浸料铺层，然后将前裙3安装到水溶性石英砂芯模7前段71缠绕层4上，前裙3与前裙安装卡爪31的后端连接，前裙安装卡爪31的前端通过前端连接装置9固定安装到芯轴8前轴81上，将后裙5安装到水溶性石英砂芯模7后段73缠绕层4上，后裙5与后裙安装卡爪51的前端连接，后裙安装卡爪51的后端通过后端连接装置10固定安装到芯轴8后轴82上，并对前裙3和后裙5进行缠绕固化；

本实施例中，对前裙3和后裙5的裙部位环向缠绕4层，所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，且缠绕张力控制为20N/股；然后固化，本实施了中，通过程序升温的固化制度进行固化：以2℃/min的升温速度至110℃保温2小时，再依次升至130℃保温3小时、升至150℃保温3小时、升至170℃保温8小时，最后以3℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化；

6)将前裙安装卡爪31、后裙安装卡爪51、前端固定卡爪12和前端固定法兰盘11依次拆除，再从水溶性石英砂芯模7前端71用高压水枪对水溶性石英砂芯模7进行冲洗以溶解芯模，并从前端71取出芯轴8，然后清除水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得壳体内壁清洁干净，吹干残留的水分，得到带喷管的发动机复合材料壳体。

实施例2

1)分别成型喷管6、前接头1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯轴8，其中：水溶性石英砂芯模7的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致，喷管6包括收敛段61、背衬62、喉衬63、扩散段64及喷管壳体65；

本实施例中，水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶5∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂，固化得到水溶性石英砂芯模7；前接头1和喷管壳体65的材质均为铝合金锻件材料或钛合金锻件材料；喷管6的喉衬63采用的材料为C/C复合材料，喷管6的收敛段61、扩散段64、背衬62采用的材料均为高硅氧玻璃/酚醛防热复合材料；

2)将水溶性石英砂芯模7套装在芯轴8上后，在水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜，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外表面且延伸至芯轴8后轴82的锥面83均涂刷一层脱模剂；

3)在前接头1的内表面及喷管收敛段的内表面均贴有三层三元乙丙橡胶绝热层；然后将前接头1安装到经过步骤2处理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端，前接头1与前端固定法兰盘11连接，前端固定法兰盘11通过前端固定卡爪12固定在芯轴8的前轴81上；将喷管6安装到芯轴8后轴82上，使得喷管6的收敛段61贴合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯轴8后轴82的锥面83，喷管6扩散段64的后端通过后端固定卡爪13固定在芯轴8的后轴82上；另外，芯轴8后轴82上套有固定块2，固定块2衬在喷管6的扩散段64处，固定块2与芯轴8同轴固定；

本实施例中，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂，以增加三元乙丙橡胶绝热层间的表面粘接力；

4)在前接头1外表面、水溶性石英砂芯模6外表面及喷管6收敛段61外表面均贴有三层三元乙丙橡胶绝热层，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂，以增加橡胶层间的表面粘接力；然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相交替的方式对前接头1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及喷管6收敛段61外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕，并固化；

其中，双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，交替缠绕2次，每次双曲线纵向缠绕和环向缠绕的次数均为3层，缠绕张力控制为20N/股；通过程序升温的固化制度进行固化：以3℃/min的升温速度至110℃保温1.5小时，再依次升至130℃保温2小时、升至150℃保温5小时、升至170℃保温10小时，最后以4℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化；

5)经过步骤4缠绕、固化后，前裙3和后裙5均采用碳纤维预浸料铺层，然后将前裙3安装到水溶性石英砂芯模7前段71缠绕层4上，前裙3与前裙安装卡爪31的后端连接，前裙安装卡爪31的前端通过前端连接装置9固定安装到芯轴8前轴81上，将后裙5安装到水溶性石英砂芯模7后段73缠绕层4上，后裙5与后裙安装卡爪51的前端连接，后裙安装卡爪51的后端通过后端连接装置10固定安装到芯轴8后轴82上，并对前裙3和后裙5进行缠绕固化；

本实施例中，对前裙3和后裙5的裙部位环向缠绕4层，所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，且缠绕张力控制为25N/股；然后固化，本实施了中，通过程序升温的固化制度进行固化：以3℃/min的升温速度至110℃保温1.5小时，再依次升至130℃保温2小时、升至150℃保温5小时、升至170℃保温10小时，最后以4℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化；

6)将前裙安装卡爪31、后裙安装卡爪51、前端固定卡爪12和前端固定法兰盘11依次拆除，再从水溶性石英砂芯模7前端71用高压水枪对水溶性石英砂芯模7进行冲洗以溶解芯模，并从前端71取出芯轴8，然后清除水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得壳体内壁清洁干净，吹干残留的水分，得到带喷管的发动机复合材料壳体。

实施例3

1)分别成型喷管6、前接头1、前裙3、后裙5、水溶性石英砂芯模7及芯轴8，其中：水溶性石英砂芯模7的外型面与发动机复合材料壳体内型面一致，喷管6包括收敛段61、背衬62、喉衬63、扩散段64及喷管壳体65；

本实施例中，水溶性石英砂芯模7按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶3∶8的比例配制石英砂混合胶粘剂，固化得到水溶性石英砂芯模7；前接头1和喷管壳体65的材质均为铝合金锻件材料或钛合金锻件材料；喷管6的喉衬63采用的材料为C/C复合材料，喷管6的收敛段61、扩散段64、背衬62采用的材料均为高硅氧玻璃/酚醛防热复合材料；

2)将水溶性石英砂芯模7套装在芯轴8上后，在水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹一层聚四氟乙烯薄膜，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外表面且延伸至芯轴8后轴82的锥面83均涂刷一层脱模剂；

3)在前接头1的内表面及喷管收敛段的内表面均贴有三层三元乙丙橡胶绝热层；然后将前接头1安装到经过步骤2处理后的水溶性石英砂芯模7前段71的前端，前接头1与前端固定法兰盘11连接，前端固定法兰盘11通过前端固定卡爪12固定在芯轴8的前轴81上；将喷管6安装到芯轴8后轴82上，使得喷管6的收敛段61贴合于水溶性石英砂芯模7后段73的后端和芯轴8后轴82的锥面83，喷管6扩散段64的后端通过后端固定卡爪13固定在芯轴8的后轴82上；另外，芯轴8后轴82上套有固定块2，固定块2衬在喷管6的扩散段64处，固定块2与芯轴8同轴固定；

本实施例中，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂，以增加三元乙丙橡胶绝热层间的表面粘接力；

4)在前接头1外表面、水溶性石英砂芯模6外表面及喷管6收敛段61外表面均贴有三层三元乙丙橡胶绝热层，相邻三元乙丙橡胶绝热层之间涂刷三聚氰胺改性树脂胶粘剂，以增加橡胶层间的表面粘接力；然后采用双曲线纵向缠绕与环向缠绕相交替的方式对前接头1外表面、水溶性石英砂芯模7外表面及喷管6收敛段61外表面的三元乙丙橡胶绝热层进行一体化缠绕，并固化；

其中，双曲线纵向缠绕和环向缠绕所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，交替缠绕3次，每次双曲线纵向缠绕和环向缠绕的次数均为2层，缠绕张力控制为15N/股；通过程序升温的固化制度进行固化：以1℃/min的升温速度至110℃保温3小时，再依次升至130℃保温4小时、升至150℃保温4.5小时、升至170℃保温12小时，最后以4℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化；

5)经过步骤4缠绕、固化后，前裙3和后裙5均采用碳纤维预浸料铺层，然后将前裙3安装到水溶性石英砂芯模7前段71缠绕层4上，前裙3与前裙安装卡爪31的后端连接，前裙安装卡爪31的前端通过前端连接装置9固定安装到芯轴8前轴81上，将后裙5安装到水溶性石英砂芯模7后段73缠绕层4上，后裙5与后裙安装卡爪51的前端连接，后裙安装卡爪51的后端通过后端连接装置10固定安装到芯轴8后轴82上，并对前裙3和后裙5进行缠绕固化；

本实施例中，对前裙3和后裙5的裙部位环向缠绕2层，所采用的材料均为纤维增强环氧树脂，且缠绕张力控制为18N/股；然后固化，本实施了中，通过程序升温的固化制度进行固化：以1℃/min的升温速度至110℃保温3小时，再依次升至130℃保温4小时、升至150℃保温4.5小时、升至170℃保温12小时，最后以4℃/min的降温速度，降温至室温即完成固化；

6)将前裙安装卡爪31、后裙安装卡爪51、前端固定卡爪12和前端固定法兰盘11依次拆除，再从水溶性石英砂芯模7前端71用高压水枪对水溶性石英砂芯模7进行冲洗以溶解芯模，并从前端71取出芯轴8，然后清除水溶性石英砂芯模7中间筒段72周围包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得壳体内壁清洁干净，吹干残留的水分，得到带喷管的发动机复合材料壳体。

上述三个实施例制备的3台带喷管的发动机复合材料壳体，平均质量减轻了15％，发动机质量比提高了2％，壳体水压试验爆破压力分别为12.1MPa、11.7MPa、12.4MPa(设计要求为11MPa)；由于取消了壳体与喷管的装配工序，发动机壳体、喷管的装配制造周期缩短了3～5个小时。

本实施例中取消了现有技术中发动机壳体与喷管法兰连接结构，在喷管组件装配到位后，与发动机复合材料壳体一并缠绕固化成型，去除了后接头、连接件等金属部件，能有效提高发动机质量比，提高了固体火箭发动机的使用性能；同时取消了发动机复合材料壳体与喷管的装配工序，有效缩短发动机复合材料壳体、喷管的装配制造周期。