固体火箭发动机防热涂层产品型谱构建与选型

罗江凤、鱼颖、张光春、张利军、郭飞鸽 /西安航天化学动力有限公司

外防热涂层是固体火箭发动机研制的关键材料，其性能与可靠性是新型航天装备发动机先进性与可靠性的决定因素之一。随着高性能武器装备飞行速度的提高，飞行器壳体外表面气动加热问题愈加严重，由于固体发动机壳体一般采用薄壁高强钢或纤维复合材料等制成，当环境温度超过壳体材料本身的使用温度时，壳体的承载性能急剧下降，可直接导致飞行失败。所以，高性能武器装备发动机壳体外表面需涂覆外防热涂层材料来保护发动机壳体。

目前，高性能武器型号发动机大多采用涂层进行热防护，涂层防热法具有成本低、工艺简单、消极质量小、热防护效率较高等特点，广泛应用于飞行Ma3 ～9的飞行器气动热防护。涂层防热是烧蚀型防热的一种，防热效果从本质上受制于材料的热解过程。由于高速气流对涂层和结构产生的气动热烧蚀，不但与材料的本身性能有关，也与特定气动环境有关的物理和化学综合效应相关。因此，只有材料和气动热环境合理配合，使其在此环境下发生理想的反应，吸收或带走热量，才能设计出有效的防热涂层材料。

笔者分析了涂层产品需求特点，并基于西安航天化学动力有限公司研制的系列防热涂层的配方特点、性能水平、主要功能以及应用经验，对外防热涂层产品进行了型谱构建，从而有利于选型统型。

一、涂层产品需求分析

外防护涂层是发动机消极质量的一部分，这就决定了外防热涂层的发展趋势必然是追求更低的密度和更好的烧蚀性能，同时具有优异的综合性能，有的背景型号发动机还要求外防护涂层具有耐烧蚀、电磁屏蔽、吸波透波、抗激光等功能。防热材料基体主要有硅树脂、硅橡胶、环氧改性聚氨酯树脂、环氧树脂、氯磺化聚乙烯等，填料主要包括酚醛微球、二氧化硅、玻璃空心微球等，一般都具有较低的密度以及较高的防热效率。

随着新一代高性能武器装备发动机飞行速度、机动性的不断提高，发动机壳体承受的温度和载荷将不断提高。而且随着航天装备射程的增加，发动机工作时间将会不断增加，热气流温度不断升高，热冲刷将变得更为剧烈。为了保证发动机正常工作，在进行发动机设计时，对固体火箭发动机外防热材料提出了更高的技术要求。

在设计指标方面，对外防热涂层主要提出了密度、力学性能、粘接性能、防热性能、热物理性能及老化性能要求。新一代高性能航天装备发动机的飞行环境具有长时间、高热流的特点，所以要求外防热涂层具有良好的隔热抗冲刷能力，也就是较低的密度和良好的成炭性能。

二、涂层产品现状

公司自主研发了包括TI552系列、TI554 系列等硅基，TI588、TI591 等聚氨酯环氧基，共计10 余个品种的外防热涂层材料及配套材料。TI 系列外防热涂层材料密度灵活可调（0.45 g/cm～ 1.35 g/cm），力学性能（拉伸强度≥1.50MPa）优异，适应钢、复合壳体、铝、钛合金等不同壳体基材的粘接，且性能可靠，可以满足不同热流工况对于高效隔热、耐烧蚀抗冲刷防热性能的需求，并且抗老化性能良好（加速老化＞17a）。

基于密度、耐烧蚀性能以及应用工况差异，将外防热涂层材料分为高效隔热型、耐烧蚀抗冲刷型、抗激光及其他功能型3种类型。高效隔热型包括TI554系列涂层，耐烧蚀抗冲刷型包括TI552 系列、TI557、TI559 涂层，抗激光及其他功能型包括TI551A、TI556、TI588、TI591、TI594 等涂层。

三、涂层产品型谱的构建

1.确定型谱特征参数

根据固体火箭发动机对防热涂层的性能要求以及防热涂层的主要功能和性能，将以下参数确定为外防热涂层型谱特征参数。

（1）基材种类：可以显著区别不同的防热涂层所用基材。

（2）密度大小：根据防热涂层产品的密度大小进行区分。

（3）涂层功能：根据防热涂层的涂层功能进行划分。

（4）特征代号：根据防热涂层的研制序号及改进序号制定相应的特征代号。

2.分析产品型谱规格

根据发动机对防热涂层的需求和分析确定的产品型谱特征，按照防热涂层产品基体种类、密度大小、防热涂层成型工艺及特殊性能等进行规格划分。

（1）基体种类划分：按照防热涂层的基体树脂类型分为U 型（聚氨酯）、S 型（硅橡胶）、E 型（环氧）。

（2） 密度大小划分： 按照防热涂层密度大小可分为

ρ

≤0.65g/cm（超低密度）、0.65g/cm＜

ρ

≤0.8g/cm（低密度）、0.8g/cm＜

ρ

≤1.0g/cm（常规密度）、1.0g/cm＜

ρ

≤1.35g/cm（可接受密度）。

（3）特征代号划分：根据防热涂层的研制序号及改进序号对防热涂层产品进行区分。

主要以产品基材类型作为防热涂层型谱规格划分的依据，在同一基材类型系列下，依据防热涂层密度大小进行划分，对于密度大小相同或相近的产品进行优化合并，做到产品型谱不重复，不同规格产品之间有明显的差异。

3.产品树构建

根据确定的防热涂层产品型谱参数，构建防热涂层产品树，如图1 所示。

图1 防热涂层产品型谱树

4.产品名称和代号编制说明

严格依据《宇航产品型谱编制指南》进行涂层代号编制，具体代号组成如图2 所示。

图2 防热涂层型谱代号组成

涂层型谱代号采用以下格式：

（1）第1 ～2 位：TI-涂层；

（2）第3 位：分隔符；

（3）第4 位：基材类型，其中，U-聚氨酯、S-硅橡胶、E-环氧；

（4）第5 位：分隔符；

（5）第6 ～9 位：密度等级，其中，0.65-较低、0.08-低、1.0-常规、1.20-可接受，单位为g/cm；

（6）第10 位：分隔符；

（7）第11 ～12 位：成型工艺，PT-喷涂、ST-刷涂；

（8）第13 位：分隔符；

（9）第14 ～16 位：涂层设计序号，101、102……；

（10）第17 位：分隔符；

（11）第18位：涂层改进序号，A、B、C。

示例说明：如TI-S-0.88-PT-552-B 表示密度≤0.88g/cm，可进行喷涂的设计序号为552 的第2 次改进的硅橡胶类涂层。

5.产品型谱表

公司研发的外防热涂层型谱见表1。

表1 外防热涂层型谱表

从表1 可以看出，从型谱代号可以迅速判断涂层基体种类、密度大小、防热涂层成型工艺，通过涂层型谱构建，加快了涂层选型及发动机设计进度，提升了型号研制能力。

四、型谱化工作应用效果

对于热流密度不大、隔热要求高的环境，可选用高效隔热型TI554 系列涂层，TI554 系列涂层囊括不同涂层密度段，更有利于针对型号技术要求快速选型，区别于以往随发动机型号而新研制涂层的模式。

对于防热、抗冲刷要求高的热流环境，可选用耐烧蚀抗冲刷型涂层，其中TI552B 涂层已应用于多种型号发动机，其密度不高，并且已形成院级标准，可直接选用，更有利于加快研制进度。对涂层材料还有更低密度要求的情况，可选用TI557、TI559 涂层。耐烧蚀抗冲刷型涂层的研制有一定难度，目前耐烧蚀抗冲刷型涂层材料可覆盖中高热流密度工况，因此非常有利于高性能发动机对涂层材料快速选用，研制进度提升明显。

对于兵器及其他非航天系统单位，基于应用工况以及成本控制，可选用TI594 低成本涂层、TI588、TI591 聚氨酯涂层。

公司通过外防热涂层产品化工作，极大地促进了产品大批量成组生产，消除了以往多品种、小批量、多批次生产及检验的不利局面，产品质量和成熟度稳定提升，产品生产效率提升了200%。外防热涂层的产品化工作及思路可有效用于新型材料的开发，加速开发进程，明确开发方向，起到示范引领作用。针对研制的系列防热涂层配方特点、性能水平、主要功能以及应用经验，将涂层分为高效隔热型、耐烧蚀抗冲刷型、抗激光及其他阻燃防热涂层类型，并对外防热涂层产品进行了型谱构建，更有利于快速选型，加速发动机研究进程。