固体火箭发动机EPDM绝热层产品一体化工作实践

赵敏、李斌、吕晓、袁洪波 /湖北航天化学技术研究所

固体火箭发动机燃烧室工作时要承受3000K以上的高温和3～20MPa 甚至更高的内压作用，随着新型高能推进剂的使用和高比冲发动机的设计，温度和压力还将进一步提高。为了保证发动机的正常工作，在进行发动机设计时，除了考虑发动机综合性能以外，还需考虑热防护以防止燃烧室壳体被燃气烧坏，或因过热而降低壳体强度并危及结构完整性，燃烧室的热防护通常采用在壳体内壁粘贴绝热层的办法解决。

绝热层是一层位于固体火箭发动机壳体内表面的非金属隔热防护材料，在固体火箭发动机内的具体位置见图1。其主要功能是通过自身不断吸热分解、烧蚀带走大部分热量以缓解高温燃气热量向壳体的传递速度，避免壳体达到危及其结构完整性的温度，保证发动机的正常工作。此外，绝热层还有缓冲应力传递、限燃、密封等重要辅助作用。湖北航天化学技术研究所从事绝热层研制工作已有40 年的历史，研制的三元乙丙EPDM（ethylene propylene diene monomer）系列绝热层已在多种战略、战术、宇航固体火箭发动机中得到成功应用。

图1 固体火箭发动机基本结构

在航天型号高密度发射、多型号并举、质量可靠性要求高的发展形势下，中国航天科技集团有限公司提出了科研生产模式由单一的“以型号研制任务牵引”模式向主要基于“成熟产品选用”的系统集成研制模式转变的发展战略。研究所严格落实航天科技集团产品化发展战略部署，为适应航天发展高质量、高效率、高效益的新形势与新要求，提出了以绝热层产品为试点，开展绝热层型谱研究，统一规划产品体系，压缩产品种类，形成通用货架产品的发展思路，对产品开发、生产、质量管理、产品定型和应用等过程进行优化，以满足小子样研制条件下的产品高性能、高可靠、高质量要求的综合性工程技术与管理模式，通过产品化工作的开展，打造批量化重复稳定生产的通用货架产品。

一、EPDM绝热层产品化工作

1.EPDM 绝热层产品技术状态梳理

固体火箭发动机绝热层产品在充分考虑技术可行性、经济性、工艺性以及满足基本需求的基础上制定，根据发动机内工作环境的不同，形成了通用型绝热层、低密度绝热层和抗过载及长时间烧蚀绝热层三大系列化产品。研究所对绝热层产品化工作进行了详细策划，对现有绝热层牌号进行归纳整理，对应用广泛的EPDM 绝热层技术状态进行梳理，对绝热层的密度、烧蚀率、抗拉强度、断裂伸长率、净断裂强度、条件断裂强度等主要性能进行统计分析，整理出技术指标要求、各牌号EPDM 绝热层性能水平、应用范围，深入开展了EPDM 绝热层型谱建设工作，进一步规范了产品型谱建设和管理。

目前在用的EPDM 绝热层主要包含TI113、TI113A、TI117 等一系列产品，其中，TI113 绝热层在多个战略、战术发动机中得到广泛应用，取得了较好的应用效果，产品成熟度不断提升；TI117 绝热层是在TI113 绝热层基础上研制的，充分继承了TI113 绝热层研制、应用和可靠性研究成果，已在多个型号发动机中得到应用，产品质量稳定可靠，各批次产品性能均满足技术指标要求并通过了设计鉴定，为后续型号选用奠定了基础；TI113A 绝热层实现了关键原材料的国产化替代工作并已经在型号发动机中进行了成功应用；其他牌号的绝热层也根据自身的性能特点在不同的发动机进行了多批次的应用并取得了良好的效果。

2.EPDM 绝热层使用过程中存在的问题

由于各型号使用要求及研制背景的差异，在具体使用时，发动机设计单位结合自身的工作特点对绝热层的性能指标要求略有差异，分别针对绝热层提出了不同的技术指标，但这种性能差异较小，如果针对每个发动机的技术指标分别进行研制，即增加了绝热层材料研制单位的研制工作量和生产控制难度，又增加了绝热层产品种类和绝热层牌号，形成多品种小批量的不利发展趋势，同时为产品的大批量生产带来了很大阻力，性能控制也存在管理隐患。

3.EPDM 绝热层指标差异问题解决措施

针对EPDM 绝热层的指标差异问题，研究所为进一步规范型号原材料选用控制流程，避免个体差异带来的产品质量控制风险，综合各型号的使用、验证情况，与固体火箭发动机设计单位西安航天动力技术研究所共同制定了《EPDM 绝热层产品化协同推进协议》，联合开展EPDM 绝热层产品型谱建设，共同针对绝热层在各型号使用过程中技术指标差异进行了分析，梳理出存在的问题，进一步统一各型号的技术指标和使用范围，规范了产品型谱的建设和管理，提高了该系列产品研制生产过程中的标准化水平。

在EPDM 绝热层材料研发、生产过程中，按照绝热层研制程序开展各阶段研究工作，以型号需求为牵引，依托型号研制实现绝热层材料应用考核验证，实现既依托型号研制又不依赖型号研制的目标，以达到通用化、系列化和标准化。在绝热层的研制生产过程管理、绝热层数据包管理、质量和验收管理等方面均以绝热层产品规范、工艺文件和质量保证大纲为依据，逐步脱离各型号要求的差异性，实现去型号化组批生产。在型号选用绝热层品种时，根据型号研制需求在绝热层型谱中选择合适牌号即可。

目前绝热层型谱已纳入航天动力技术研究院零部件级重点产品型谱简表中，形成了产品规范，显著提升生产能力和质量稳定性，形成产品资源，提高市场竞争力，促进发动机型号研制时对EPDM绝热层型谱产品的选用。

二、绝热层型谱建设方案

1.绝热层产品型谱化研究

（1）产品化实施层面的共用技术

绝热层的产品化在不同层面有着不同的工作内容和实施特点，按照原材料、配方组成和测试试验技术3 个层面分级实施。产品化各层面的信息流程如图2 所示。

图2 产品化各层面的信息流程图

原材料的共用技术。根据绝热层的特点对原材料进行分类，形成绝热层通用原材料库，制定所有原材料的验收指标、验收标准和检验方法，形成常用原材料的性能型谱，在配方设计时依照技术方案和技术指标要求选择不同种类、不同规格的原材料。

配方调节的共用技术。根据任务书中对绝热层提出的一般技术指标要求进行分类，配方调节的共用技术可分为密度调节技术、力学性能调节技术和烧蚀性能调节技术3 个方面。根据研究结果，分别形成绝热层的密度、力学性能和烧蚀性能的共用调节技术，在配方设计时根据产品指标要求进行调节和试验。

测试试验共用技术。测试试验技术是绝热层系列产品性能测试时必须优先采用的共用技术，根据任务书中对绝热层提出的测试项目进行分类，测试试验共用技术可分为密度、力学性能、抗圆周裂纹性能和烧蚀性能测试试验技术4 个方面。分别形成密度、力学性能、抗圆周裂纹性能和烧蚀性能试验的测试标准和试验方法，在性能测试时按相关要求进行，以确保绝热层性能测试的规范性和有效性。

（2）产品性能调节技术研究

按照绝热层性能一般要求，绝热层产品性能调节技术一般包括密度调节技术、力学性能调节技术和烧蚀性能调节技术，此外，用于大型战略发动机的绝热层还要求抗圆周裂纹性能。

密度调节技术。确定调节绝热层密度的原材料种类及调控方法，密度的调节范围为0.93～1.30g/cm。

力学性能调节技术。确定调节绝热层的力学性能的原材料种类及调控方法，力学性能的调节范围为4～11MPa。

烧蚀性能调节技术。确定调节通用绝热层烧蚀性能的原材料种类及调控方法，线烧蚀率的调节范围为0.05～0.15mm/s。

确定调节抗过载耐烧蚀型绝热层烧蚀性能的原材料种类及调控方法，线烧蚀率的调节范围为0.02～0.05mm/s。

抗圆周裂纹扩展性能调节技术。确定调节通用型绝热层抗圆周裂纹扩展性能的原材料种类及调控方法，抗圆周裂纹扩展性能的调节范围为2.0～2.5MPa。

（3）绝热层设计指标统计分析及归类

绝热层研发人员将目前绝热层技术状态梳理情况反馈给固体发动机设计人员后，设计人员针对广泛应用于多个战略、战术、宇航型号等固体发动机的多种绝热层存在的问题，根据绝热层产品化工作要求，对各型号绝热层设计指标体系进行了梳理统计，各型号对绝热层提出的指标分为以下几类：

1） 共 性技术指标：包括本体力学性能（4 项）、烧蚀性能（1 项）、物理性能（1项）、贮存性能（1 项）等共7 项 指 标，界面粘接5 项指标。

2） 一 次性测试技术指标：力学性能（4 项）、物理性能（5 项）、固化性能（1 项）等共10 项指标。

3）个性技术指标：烧蚀性能（热化学烧蚀性能、克里聚集条件下烧蚀性能）共2 项指标。

2016年10月，采用整群抽样法选择江苏省南京市1所三级甲等医院150名精神科临床护士作为研究对象。纳入标准：①日常工作中和病人直接接触的精神科在职护士；②从事精神科护理工作1年以上；③无精神异常史和现病史；④知情同意。排除标准：调查期间非在岗护士，包括产假、病假、事假、休年假及学习、出差者。

4）新增技术指标：为进一步提升燃烧室可靠性，目前针对绝热层提出了凝胶分数的技术指标要求，一般要求是批次测试，部分型号要求每一台均测试。

（4）绝热层型谱研究取得的成果

根据以上共用技术、性能调节技术研究结果、绝热层设计指标统计分析后确定了指标体系，针对应用最广泛的TI113 绝热层，对近10 年以来交付使用多个批次的性能进行了统计和包络线分析，根据型号对绝热层性能要求梳理结果和绝热层性能统计分析结果，结合绝热层院标准规定和发动机实际使用情况，优化了型号应用绝热层推荐指标要求和界面粘接技术指标，修改完善了院标准《TI113 绝热层材料规范》，需要使用TI113 绝热层的各型号技术指标全部统一到材料规范中，实现了绝热层研制生产去型号化、通用化的使用效果。

2.绝热层型谱编制

（1）型谱特征参数确定

根据固体火箭发动机对绝热层的性能要求以及绝热层主要功能和性能，将基材种类、烧蚀率等级、成型工艺、特征代号等参数确定为绝热层型谱特征参数。

（2）产品型谱规格分析及优化

基 材 划分：按照绝热的基材类型分为NBR 型（丁腈橡胶）、EPDM 型（三元乙丙橡胶）、RE 型（酚醛树脂）；

烧蚀率划分：按照氧乙炔烧蚀率大小可分为：≤0.05mm/s（超低烧蚀率）、≤0.08mm/s（极低烧蚀率)、≤0.10mm/s（较低烧蚀率）、≤0.12mm/s（低烧蚀率)、≤0.15mm/s（常规烧蚀率)、≤0.20mm/s（可接受烧蚀率）6 类；

成型工艺划分：按照绝热成型工艺过程分为手工贴片（ST）、模压成型（MY）；

特征代码划分：根据绝热的研制序号及改进序号对绝热层产品进行区分。

绝热层主要以产品基材类型作为型谱规格划分的依据，在同一基材类型系列下，依据绝热层烧蚀率大小进行划分，对于烧蚀率相同或相近进行优化合并，做到产品型谱相互之间不重复，不同规格产品之间有明显的差异。

（3）产品树构建、型谱确定

根据确定的绝热层产品型谱参数，构建的绝热层产品树具体如图3 所示，共分为三大类，共14项产品。

绝热层代号依据“宇航产品型谱编制指南”进行，绝热层型谱代号格式要求具体如图4 所示。绝热层型谱代号中前面两位与后面四位组合即为现用绝热层代号。

图4 绝热层型谱代号组成

图3 绝热层产品型谱树

三、EPDM绝热层产品一体化工作实践效果

研究所通过固体火箭发动机设计、绝热层研发与生产一体化工作，推进了绝热层产品化工作，将航天科技集团的“高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国和国防建设”的发展理念贯彻落到实处。在绝热层研发、生产过程中持续开展统计分析工作，针对绝热层设计、生产、应用过程中出现的问题及时提出解决措施，迭代持续改进，不断提高产品质量。取得的效果主要有：

一是通过对绝热层技术状态的梳理和型号技术要求的统计分析，结合绝热层性能统计分析，完善了TI113 绝热层产品规范并形成了院级标准，促进了绝热层产品化规范化，为型号选用提供了依据；

二是明确了型号选用相同绝热层时的技术指标要求，直接采用院级标准TI113 绝热层规范，避免不同型号采用相同绝热层出现指标要求不一致甚至指标不完全的情况，实现了产品去型号化的目的；

三是通过研究编制并完善了绝热层产品型谱，形成EPDM 绝热层货架产品资源，将性能相近的EPDM 绝热层产品种类压缩了三分之一，将应用最广泛的EPDM 绝热层集中到3～5 种，促进了在发动机研制时对绝热层型谱产品的选用；

四是通过EPDM 绝热层产品化工作，极大地促进了产品大批量成组生产，消除了多品种小批量生产的不利局面，产品质量和成熟度稳定提升，产品生产效率提升了100%～150%，批次检验频率降低了5～8 倍。