用于大尺寸整体成型防热结构的维形工装及维形方法与流程

本发明涉及用于大尺寸整体成型防热结构的维形工装及维形方法，特别是以低密度纤维三维结构为增强相的具备一定承力性能的大尺寸整体成型防热结构的维形方法，属于返回式飞船的防隔热材料整体成型技术领域。

背景技术：

返回式飞船外表面须有可靠、耐冲刷的热防护系统，确保对航天器内部的设备、人员的保护。随着深空探测技术的不断开展，针对第二宇宙飞行速度的热流环境，要求热防护系统表面烧蚀层不能开裂、脱落，对表面的结构稳定性和完整性要求更高，对热防护系统的轻量化提出更高要求。采用低密度纤维三维结构为增强相的防隔热材料满足防隔热材料耐返回再入时的热流冲刷，同时可整体成型，密度可降至0.3g/cm³，在未来深空探测领域热防护材料的轻量化需求、大尺寸异型结构整体成型极具优势。

目前，采用低密度纤维三维结构作为增强相的大尺寸整体成型的难题在于低密度纤维三维结构成型过程尺寸精度保证难度大。因低密度纤维三维结构多为高孔隙率(孔隙率达80％～95％)的三维多孔结构，质软、轻触易变形。为解决低密度纤维三维结构易变形问题，首先需要解决整体成型的维形问题，尤其是气动外形的轮廓度的维形问题。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了用于大尺寸整体成型防热结构的维形工装及维形方法，解决低密度纤维三维结构易变形问题，大尺寸整体成型时尺寸无法维形问题。

本发明的技术解决方案是：用于大尺寸整体成型防热结构的维形工装，其特征在于所述维形工装的内形面与防热结构的气动外形型面一致，型面精度优于防热结构的气动外形型面精度；维形工装底部设有至少一个注胶接口，每个注胶接口通过阀门控制密闭性，维形工装上部外轮廓设有翻边。

所述整体成型防热结构最大投影面积大于2m²。

所述维形工装的内形面型面精度优于1mmr.m.s。

本发明的另一个技术解决方案是大尺寸整体成型防热结构维形方法，该方法包括如下步骤：

s1、设计并制造维形工装；

s2、在维形工装上构建内型面与防热结构的气动外形型面一致的真空密封腔体，所述真空密封腔体通过真空气嘴和注胶接口实现与外部的气、液连通，防热结构坯件置于该真空密封腔体内；

s3、通过注胶接口往真空密封腔体内注入树脂溶液，使得树脂溶液完全填充防热结构坯件孔隙；

s4、将维形工装连同包括防热结构坯件在内的真空密封腔体整体干燥；

s5、取出防热结构坯件，并进行树脂凝胶反应，完成刚性骨架反应过程，形成刚性防热结构。

所述防热结构坯件纤维增强体为低密度三维多孔结构，孔隙率达80％～95％。

所述真空密封腔体的真空压力值范围为：0.01～0.015mpa。

所述真空密封腔体的保压时间至少4h。

所述树脂溶液内树脂质量比为5％～50％。

所述步骤s2构建内形面与防热结构的气动外形型面一致的真空密封腔体的具体过程为：

s2.1、在维形工装的内型面贴覆导气的薄膜隔离材料，避开注胶接口；

s2.2、铺放好的薄膜隔离材料表面放置防热结构坯件，使得防热结构的气动外形型面与维形工装的内型面贴合；

s2.3、在防热结构坯件内表面放置导气的高渗透介质材料；

s2.4、在高渗透介质材料表面铺覆真空袋膜，将真空袋膜与维形工装封装，形成密封腔体；

s2.5、将密封腔体抽成真空，形成真空密封腔体，保证真空密封腔体的压力满足预设要求。

所述步骤s2.5中将密封腔体抽成真空的方法为：

s2.5.1、在密封腔体上部翻边处真空袋膜上连接至少四个真空气嘴，真空气嘴均匀分布在真空袋膜上；

s2.5.2、通过真空气嘴将密封腔体抽成真空。

所述薄膜隔离材料包括无纺布、带孔隔离膜、透气氟布、脱模布。

所述高渗透介质材料包括：透气毡、网格塑料膜。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)、本发明通过与产品外形随形的刚性维形工装保证整体成型的型面精度，并设有至少一处带密封阀门的接口，保证维形过程可完成防热结构成型过程的刚性骨架反应过程；

(2)、本发明通过提高维形工装内型面尺寸精度要求，能简单直接的实现对产品型面精度的优化控制，解决大尺寸整体成型过程的结构尺寸精度控制难题；

(3)、本发明采用维形工装刚性结构体和真空袋膜柔性体的软硬相结合方式，避免了刚性架桥，造成局部加压不到位，复形失败，影响产品成型型面尺寸精度；同时通过抽真空，形成真空压力，对防热结构坯件实现均匀加压，保证防热结构坯件向维形工装的复形；

(4)、本发明通过为真空密封腔体提供定值的真空压力，可以避免压力过大挤压防热结构坯件，造成防热结构坯件的低密度纤维三维结构被压溃；

(5)、本发明真空压力保值一定时间，保证结构复形的完整性；

(6)、由于本发明防热结构坯件在该阶段复形后，不再受力，直接进行刚性结构的反应过程，可确保尺寸复形得以保留，实现产品维形；

(7)、使用本发明方法生产的产品轮廓度优于2mmr.m.s，气动外形面轮廓度优于1mmr.m.s。

附图说明

图1为本发明实施例载体返回式飞船热防护结构的整体外形图；

图2为本发明实施例技术方案原理示意图；

标号说明：1-维形工装、2-薄膜隔离材料、3-防热结构坯件、4-导气毡被、5-真空袋膜、6-密封面；

图3(a)为本发明实施例针对球冠回转体的维形工装俯视图；

图3(b)为本发明实施例针对球冠回转体的维形工装主视图；

图3(c)为本发明实施例针对球冠回转体a-a剖视图；

标号说明：7-支撑结构、8-支架、9-阀门、10-进胶接口、11-备份进胶接口

图4(a)为本发明实施例针对扇弧面结构的维形工装主视图；

图4(b)为本发明实施例针对扇弧面结构的维形工装俯视图；

图4(c)为本发明实施例针对扇弧面结构的三维视图；

图5为本发明实施例大尺寸整体成型防热结构维形方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明用于在防热材料整体成型过程，孔隙内填充树脂形成刚性结构阶段，采用气动外形面维形工装和真空抽气加压技术实现对整体成型的防热结构产品尺寸维形控制。

下面以低密度纤维三维结构为增强相的大尺寸、整体成型的返回式飞船防热结构为例对本发明进行详细说明。所谓大尺寸是指所述整体成型防热结构最大投影面积大于2m²的结构。

如图1所示，返回式飞船放热结构的气动外形的结构主要包括：球冠回转结构和扇弧面结构。上、下两端是球冠回转结构中间部分是扇弧面结构。

为了实现大尺寸整体成型防热结构的维形，本发明提供了用于大尺寸整体成型防热结构的维形工装。

如图2所示，所述维形工装的内形面与防热结构的气动外形型面一致，型面精度优于防热结构的气动外形型面精度；维形工装底部设有至少一个注胶接口，每个注胶接口通过阀门控制密闭性，多处注胶接口是考虑到一个堵塞后可以用其余的注胶接口作为浸胶备份。

维形工装上部外轮廓设有翻边。

所述维形工装采用刚性材料制成，例如：铝合金、铸铁、45#钢等。

如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，球冠回转结构的气动外形型面为球形，因此，设计维形工装的内形面为碗状。

如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，球扇弧面结构的气动外形型面为扇弧形，因此，设计维形工装的内形面为凹弧面。

为了得到较好的型面精度，一般情况下，整个防热结构产品的形面精度要求优于2mmr.m.s，所述维形工装的内形面型面精度最好优于1mmr.m.s。

为了保证维形工装稳定性，可以设计支架。维形工装与支架为接触式连接，便于维形工装与防热结构产品的转运。

基于上述维形工装，本发明提供了大尺寸整体成型防热结构维形方法。

如图5所示，具体方法为：

s1、根据大尺寸整体成型防热结构的气动外形，设计并制造维形工装；

s2、在维形工装上构建内形面与防热结构的气动外形型面一致的真空密封腔体，所述真空密封腔体通过真空气嘴和注胶接口实现与外部的气、液连通，将防热结构坯件置入该真空密封腔体；通过抽真空，形成真空压力，对防热结构坯件实现均匀加压，保证防热结构坯件向维形工装的复形。

具体过程为：

s2.1、在维形工装的内形面贴覆导气的薄膜隔离材料，避开注胶接口；

s2.2、铺放好的薄膜隔离材料表面放置防热结构坯件，使得防热结构的气动外形型面与维形工装的内形面贴合；所述防热结构坯件为低密度纤维三维镂空结构，孔隙率达80％～95％。所述薄膜隔离材料可以选用无纺布、带孔隔离膜、透气氟布、脱模布等；

s2.3、在防热结构坯件内表面放置导气的高渗透介质材料；所述高渗透介质材料可以选用透气毡、网格塑料膜

s2.4、在高渗透介质材料表面铺覆真空袋膜，将真空袋膜与维形工装封装，形成密封腔体；使用密封胶带进行封装，真空袋膜扩展到维形工装外部翻边，在翻边处密封。

s2.5、将密封腔体抽成真空，形成真空密封腔体，保证真空密封腔体的压力满足预设要求。真空密封腔体的真空压力值范围为：0.01～0.015mpa，同时要求所述真空密封腔体的保压时间至少4h。为了达到这样的密封性，这就要求，维形工装的气密性必须保证10min内，压力下降值不超过0.005mpa，注胶接口阀门的气密性也得满足10min内，压力下降值不超过0.005mpa。通过为真空密封腔体提供定值的真空压力，可以避免压力过大挤压防热结构坯件，造成防热结构坯件三维结构被压溃。具体为：

s2.5.1、在密封腔体上部翻边处真空袋膜上连接至少四个真空气嘴，真空气嘴均匀分布在真空袋膜上；

s2.5.2、在接好的真空气嘴上接真空软管、真空泵，通过真空气嘴将密封腔体抽成真空，真空压力保证0.01～0.015mpa。

s3、通过注胶接口往真空密封腔体内注入树脂溶液，使得树脂溶液完全填充防热结构坯件孔隙，实现防热结构坯件的真空浸渍；；所述树脂溶液内树脂质量比为5％～50％。

s4、将维形工装连同包括防热结构坯件在内的真空密封腔体整体放入防热材料反应容器内进行干燥处理；

s5、拆除真空袋膜和透气毡，取出防热结构坯件，并进行树脂凝胶反应，形成刚性防热结构。

高渗透介质材料(hpm)高渗透介质材料(hpm)高渗透介质材料(hpm)高渗透介质材料(hpm)高渗透介质材料(hpm)。

使用本发明制备的低密度、大尺寸整体成型的防热结构产品内外型面表面平整，型面轮廓度优于2mmr.m.s，避免型面凹凸缺陷的产生，从而保证产品的研制质量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。