摘 要

以CZ-5、CZ-7为代表的我国新一代低温液体运载火箭，对箭体结构防水、防结冰功能提出了更高要求。通过介绍超疏水现象的原理及应用背景，简述我国运载火箭箭体结构防水、防结冰设计现状，并通过试 验研究超疏水涂层对于运载火箭结构的防水、防结冰应用效果及环境适应性，验证了涂层对箭体表面小 缝隙具有良好的防水效果，对结冰情况有一定的改善，为研制轻质、高效、多功能的运载火箭箭体结构 提出了新的思路。

关键词  箭体结构，防水，防结冰，超疏水涂层

1.引言 

运载火箭遇水受潮，可能引起电路短路漏电，致使电气系统工作异常，如处理不当，可能导致发射 任务无法正常执行，甚至影响成败。我国长征系列运载火箭，箭体结构大多不具备防水功能，或仅靠在 主要缝隙处粘贴透明胶带，应对发射前数十分钟内可能遇到的短时间雨雪天气。以 CZ-5、CZ-7 为代表 的新一代运载火箭，采用液氢、液氧等低温液体推进剂，带来环保、无毒无污染好处的同时，也对箭体 结构自身的防水、防结冰能力提出了更高要求。低温推进剂使得箭体表面大部分区域温度很低，加注推进剂时，空气中的水分遇到温度较低的箭 体，极易凝结成小水珠附着在箭体表面，并在重力作用下向下流淌，并从缝隙渗透进入火箭内部。新 一代运载火箭主要在海南文昌发射场执行发射任务，发射场环境高温、多雨、潮湿，即使天气晴朗， 从推进剂加注至发射的数十小时期间，箭体表面均存在大量的冷凝水流淌，贮箱附近无绝热层保护的 区域，更是完全被冰层覆盖。因此，对于新一代运载火箭，箭体结构的防水处理是发射前的一项重要 工作。箭体表面存在诸如铆接、螺接、蒙皮搭接等大量的不可见缝隙，也包括操作舱口盖、分离对接面等 一些较大缝隙，当前主要采取措施是用硅橡胶、密封条对缝隙进行封堵。该工作非常繁重，使得火箭在 生产和发射阶段操作复杂化，而且增加了火箭重量。据统计，单发火箭防水使用的硅橡胶，总重量可达 100 kg 以上，与一个 Φ2米级舱段结构的重量相当。本文尝试利用超疏水现象，用“以疏代堵”的理念，在箭体表面喷涂超疏水材料，基于运载火箭实 际使用环境进行防水、防结冰试验，探究将超疏水材料应用于箭体结构防水性能提升的可行性，为简化 火箭发射任务中的箭体结构防水操作、减轻结构重量、提升运载能力提出一种新途径。 

2. 超疏水材料及其应用现状

2.1. 超疏水现象形成的原理 

人们最早对超疏水现象的认识是从荷叶开始的，荷叶具有的超疏水性表现在雨后的荷叶表面显得非常的清新和洁净，即著名的“荷叶效应”[1]。通过 Barthlott W.和 Neinhuis C.对荷叶表面微结构的观察， 发现荷叶表面具有非常复杂的多重纳米和微米级结构，这种结构使得荷叶具有了非凡的超疏水性能和自 洁性能，揭开了表面自清洁现象的内在理论[2]。这种水滴在其表面呈球形，具有憎水性质的材料称之为 疏水材料。图 1 为水在物体表面的接触角。一般来说，水滴在物体表面的接触角 θc 小于 90°称为亲水材 料，大于 90°叫疏水材料，大于 150°叫超疏水材料。水滴在荷叶表面的接触角高达 164°。

图 1. 水在物体表面的接触角

通过研究，人们发现具有超疏水性能的材料有两个共同的属性：

1） 材料表面有排列有序的微米级凸出颗粒，其上还有更细小的纳米级颗粒；

2） 材料表面有低表面能的生物蜡。

水滴在表面张力作用下，会形成一个球。微纳结构的表面形成一个个微纳米级别的小气室；水珠一 般为毫米级别，无法进入气室，于是形成一种水珠在材料表面不进入的状态。生物蜡是一种低表面能、 疏水的物质，它加强了微纳结构的疏水效果。这就是超疏水材料的疏水原理。

2.2. 超疏水材料的应用现状

 超疏水材料主要利用其自清洁、耐玷污等生物仿生方面的特性进行开发和应用，在诸如军工、农业 微流体毛细自灌溉、管道无损运输、房屋建筑以及各种露天环境下工作的设备的防水和防冰等方面有广 阔的前景。

1） 防结冰。由于水滴在超疏水表面很难停留，且接触角很大，水滴与表面接触面积较小，热传递效 率低，因此超疏水表面具有较好的抗结冰性能。杨军等[3]对超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用 进行了研究，认为该技术不仅可以实现防冰，超疏水表面的纳米结构还能通过其自清洁功能减缓腐蚀， 从而提高发动机的可靠性和使用寿命。

2） 防污、防腐蚀。利用超疏水材料独特的疏水性，研制无色透明、无毒、无污染的涂料，将其作为 防护液喷涂在建筑物内外墙、玻璃、鞋子、衣物等表面，水滴移动更容易，表面的自清洁能力增强，不 易氧化、腐蚀[4]。张德建等[5]通过在铝表面制备具有微、纳米结构的粗糙薄膜，实现了 150°海水接触角， 并通过试验验证了超疏水的表面相比普通铝材能达到 99.990%的缓蚀率，能有效材料的提高抗海水腐蚀 性能。

3） 减阻。在管道内壁、船舶外壁等表面制备超疏水薄膜，不仅可提高防腐能力，更能有效减小管 道气体、液体运输以及船舶行进阻力，对降低运输能耗、提高输送效率有很大帮助。有试验表明，在 铝合金平板表面涂覆一种低表面能的涂层，可减小阻力 18%~30% [6]，这实际上就是超疏水材料的减 阻效果。

赵坤等[7]通过试验，验证了经过超疏水材料涂覆的铝合金基体，表面具有良好的超疏水性能，而运 载火箭箭体结构的主要材料正是铝合金。

3. 我国运载火箭箭体结构防水、防结冰设计现状

根据结构形式及功能的不同，运载火箭箭体大结构主要分为贮箱和壳段。我国现役液体运载火箭， 壳段大多为组合式结构，每个壳段由数百种零组件通过铆接、螺接等机械连接方式装配而成，因此，在 零组件搭接、对接处，以及铆钉、螺栓附近，存在很多细小的缝隙。同时，根据实际需求，壳段和贮箱 短壳侧壁上设置有大小不一的各种开口，开口处一般用盖板或小罩子封堵，用于防尘和防风，盖板或小 罩子的边缘与壳段装配处，以及用于装配的螺栓、快速锁等连接件附近，均会存在不同程度的缝隙。此 外，不同壳段之间、壳段与贮箱之间的对接面，以及级间分离、整流罩分离面处的结构，均存在缝隙。以上大小不等的缝隙，广泛分布在箭体结构表面，均存在渗漏水的风险。

针对这些缝隙，我国新一代低温运载火箭，主要采取了封堵的方式进行防水处理。对于铆钉孔、抗 剪螺栓孔等极小缝隙，除火箭原有表面喷漆外，不采取专门防水措施；对于搭接缝、对接缝等较小缝隙， 采取在缝隙边缘涂抹防水胶的措施；对于舱口盖等较大缝隙处，采取粘贴防水密封条和涂防水胶结合的 方式，并选用防水锁等专用连接件。由于箭体结构表面缝隙数量、种类繁多，这些用于应对防水问题的 措施，延长了结构生产周期，尤其是一些有特殊功能的结构，需要在临近发射时进行防水处理，使原本 就很紧张的射前工作更加繁杂，而且容易出现疏漏。

对于箭体结构的防结冰，目前未采取专门应对措施，如出现影响火箭发射任务的结冰问题，主要靠 手动铲除的方式处理。

简言之，我国运载火箭箭体结构防水、防结冰设计现状详见表 1。

4. 超疏水涂层箭体结构防水、防结冰试验

4.1. 超疏水试片淋水、结冰试验

 为验证某种具有超疏水特性的涂层材料对金属表面疏水性能的影响，选用航天运载器结构常用的 1.2 mm 厚 2A12 铝合金板，进行喷水和结冰测试。试片表面分别为以下三种状态：不喷超疏水涂层、不打磨 喷超疏水涂层、打磨后喷超疏水涂层。打磨时，采用 150 目的普通水磨砂纸手工打磨试片表面，打磨至 有明显粗糙感；喷涂的超疏水涂层选用市购 Ultra-Ever Dry （超级干）双组份液体喷涂材料，按产品说明使 涂层能完整覆盖试片表面。

4.1.1. 试片淋水试验

 1） 未喷涂超疏水涂层的铝合金试片淋水试验

如图 2 所示，试片水平状态下，水接触试片表面后，接触角明显小于 90°；试片倾斜时，水滴不下落， 或缓慢下落，试片上流下明显水渍，试片呈亲水性。

2） 不打磨表面，直接喷涂超疏水涂层的铝合金试片淋水试验

如图 3 所示，试片水平状态下，水接触试片表面后，接触角略大于 90°；试片倾斜时，水滴下落，试 片上流下轻微水渍，试片具有一定的疏水性。

图 2. 未喷涂试片表现出亲水性

图 3. 未经打磨直接喷涂超疏水涂层的铝合金试片

3） 打磨表面后，喷涂超疏水涂层的铝合金试片淋水试验

如图 4 所示，试片水平状态下，水接触试片表面后，接触角明显大于 90°；试片倾斜时，水滴迅速， 试片上基本不留水渍，试片具有非常强的疏水性。

图 4. 打磨后喷涂超疏水材料的铝合金试片

将 3）中的试片在室内放置数天后，再进行喷水试验，超疏水性能基本保持不变；用手指来回擦拭试 片表面半分钟，疏水性能依然较好，结果如图 5 所示。

图 5. 手频繁触摸试片疏水性能依然较好

4.1.2. 试片结冰试验

准备未喷涂超疏水涂层和经打磨并喷涂超疏水涂层的铝合金试片，表面喷水后，放置在-5℃环境中， 20 分钟后观察结冰情况，如图 6 所示。可以看出，外侧两件为未喷超疏水涂层试片，表面已完全被冰覆 盖，冰层均匀致密，且越结越厚；中间两件为喷涂过超疏水涂层的试片，表面虽有结冰，但冰呈珠状散 布，且可随重力自行掉落。超疏水涂层对金属表面结冰情况有较好的改善。

4.2. 超疏水典型试验件淋水试验

4.2.1. 箭体结构典型试验件设计

通过前文分析可知，目前对于箭体结构防水问题的处理，主要以封堵为主。超疏水材料的疏水特性， 可以将“堵”转变为“疏”。试验表面，具有超疏水特性的涂层材料，能够显著提高铝合金表面的疏水 性能。为验证其在箭体结构防水问题上的实际应用和效果，根据运载火箭常见结构形式，识别易渗漏水 的部位，主要包括口框口盖处、蒙皮搭接缝、部段对接面、螺栓连接处、蒙皮端框搭接处、小整流罩处等，据此设计了典型舱段防水试验件，如图 7 所示。

图 7. 典型舱段试验件

试验在淋水箱里进行，试验机略微倾斜，在试验件侧面布置淋雨喷嘴，对试验件喷水。试验条件参 考运载火箭环境要求，调节喷嘴的喷水量，模拟中雨条件（降雨强度为 10 mm/h，有风源）。试验在常温常 压下进行，试验时间持续 1 小时。试验前，对试验件背面进行保护，如图 8 所示，防止水从侧面进入。分别对喷涂超疏水涂层前、后的试验件进行淋水试验。

图 8. 试验件背面保护

4.2.2. 无超疏水涂层的试验件淋水试验

对未喷涂超疏水涂层的试验件进行淋水试验。试验过程中，可以观察到水贴着试验件表面流动，与试片试验中铝合金表面表现出的亲水性一致；淋水 1 小时后试验结束，观察试验件背面，可以看到塑料膜内残留了大量水汽，且有存水。经检查， 几乎所有预设的可能渗漏水点均有不同程度的渗漏水现象出现。试验结果表面，在无超疏水涂层保护 下，由于结构表面具有亲水性质，水很容易在毛细作用下通过细小缝隙，渗漏到结构内侧，如图 9 所

图 9. 无超疏水涂层的试验件淋水后；（a） 口框口盖处的锁；（b） 口框口盖处边缘

4.2.3. 有超疏水涂层的试验件淋雨试验

对喷涂了超疏水涂层的试验件进行淋水试验。

试验过程中，可以观察到水以珠状向四周扩散，与试片试验中喷涂过超疏水材料的铝合金表面表现出 的疏水性一致。淋水 1 小时后试验结束，观察试验件背面，如图 10 所示，可以看到背面较为干燥，底部 无存水。经过检查，没有出现明显的水流淌情况。可以看出，超疏水涂料对细小缝隙有较好的防水作用。但是在大口盖四角处，有少量水滴出现，如图 11 所示。经分析，该处由于没有锁压紧口盖与口框，出现 一定的宏观缝隙，水滴或水流在高速情况下从缝隙处进入到结构内部。由此可见，超疏水材料在较小的缝 隙处有较好的防水效果，而较大缝隙则不能有效防水，需要借助于其他防水手段共同提高防水功能。

图 10. 有超疏水涂层的试验件淋水后背面

图 11. 有超疏水涂层的试验件淋水后大口盖附近；（a） 口框口盖处内侧边缘；（b） 口 框口盖处外侧边缘

通过试验结果可以看出，带有涂层的典型试验件，对于 1 毫米以内细小的缝隙，具有较好的防水效 果；超疏水材料并不是对试验件缝隙进行封闭，因此对于有较大缝隙，材料超疏水性无法抵挡水的侵入， 仍需结合密封圈、密封胶等措施共同实现结构防水。

4.3. 超疏水涂层典型壁板结冰试验

低温火箭进行推进剂加注时，在推进剂贮箱短壳处会发生结冰现象，结冰导致箭体增重，影响分离， 并有冰块脱落砸伤人员及产品的风险。以 CZ-5 为例，芯级贮箱短壳上的结冰面积达数十平米，结冰重量 可达数百公斤。

推进剂贮箱短壳的结构形式以铝合金网格加筋壁板为主。截取一段贮箱短壳网格加筋板作为典型试 验结构，通过在结构表面喷涂超疏水材料，探索超疏水材料对箭体结构防冰性能的影响。由于实验室很 难模拟在海南高温、高湿环境下，水蒸气附着在低温结构表面冷凝、结冰的过程，本文只对超疏水材料 的防结冰性能进行探索性试验。试验环境为-40℃，水温约 10℃，水顺着壁面向下流动。

如图 12 所示，试验件左侧为未经处理的原始表面，右侧表面喷涂了超疏水材料。试验开始一段时间 后，左侧较右侧结冰速度快，且冰层呈面状分布，而有涂层的右侧冰以颗粒状分布。随着时间推移，冰 沿着已结冰区域向四周增长并覆盖原有结构，两侧结冰状况差别不大。在清理冰层时，右侧有涂层的较 左侧无涂层的更加省力，说明冰层粘附力较小。

图 12. 结冰情况，初期和后期

另外，如图 13 所示，去除冰层后，有涂层的结构表面依然表现出较好的疏水性能。

图 13. 除去冰层后依然有较好疏水性能

在试验条件下，超疏水涂层对于箭体结构防结冰的效果在初期较为明显，结冰速度较慢；由于超疏 水涂层不能避免结构表面完全不沾水，少量水仍然会凝结成冰，随后接触到表面的冷水在原有冰层表面 继续凝结，随着时间推移，结构表面会形成较厚冰层。

需要说明的是，试验条件与真实发射场条件有较大差别，而发射场条件难以模拟，因此还不能直接 断定超疏水涂层在发射场条件没有效果。

超疏水涂层可以延缓结构表面的结冰速度，但在长时间低温环境下无法最终阻止结冰，仅能实现冰 层较易去除的效果。

5. 结论及展望 

试验表明，将超疏水材料涂覆在运载火箭结构表面，具有如下效果：

1） 将对于目前未采取专门防水措施的铆钉孔、抗剪螺栓孔的极小缝隙，能进一步提高防水可靠性；

2） 对于搭接、对接缝等较小缝隙，可取代涂防水胶工序，简化操作；

3） 对于开口封堵结构这一类较大缝隙，在结合现有防水措施的基础上，对提高结构防水能力有一定作用；

4） 超疏水材料对箭体结构表面结冰有一定减缓效果，并能使冰层更易脱落，对提高箭体结构防结冰 能力有一定效果。超疏水材料可在一次程度上提高运载火箭箭体结构的防水、防结冰能力，但距离工程应用仍有较大 距离，需要解决以下关键问题：

1） 提高耐磨性，使其对各种常见运载火箭箭体结构表面状态具有良好的附着性能；

2） 简化喷涂工艺，或将材料的超疏水性能与目前运载火箭表面喷涂的漆、防热涂层等相结合，实现 简化防水操作的目的；

3） 针对运载火箭复杂的环境条件以及实际操作、使用需求，超疏水材料需要满足无毒、无污染、成 分稳定等要求，并能适应运载火箭高低温、腐蚀、盐雾、霉菌、导电性等环境条件。

参考文献

[1] Neinhuis, C. and Barthlott, W. （1997） Characterization and Distribution of Water-Repellent, Self-Cleaning Plant Surfaces. Annals of Botany, 79, 667-677. https://doi.org/10.1006/anbo.1997.0400

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原文链接：https://image.hanspub.org/pdf/MS20200200000_53878215.pdf