碳纤维在军工领域中的应用—

碳纤维在军工领域中的应用——导弹篇

2022-12-21 14:52:17 作者：材料PLUS 来源：材料PLUS 分享至：

1. 前言

箱（筒）式发射技术是当今世界上流行的、先进的发射装置设计技术。因其能够有效地提高导弹武器系统的贮存可靠性，并具有全天候适应能力及战场快速反应能力等优点，被当今各种陆基和舰载先进导弹武器系统采用。随着导弹技术的快速发展，对发射箱（筒）的体积、质量、环境适应性等方面也提出更为严格的要求。由于复合材料具有高比强、高比模、结构可设计等优点，国内外专家就复合材料在大截面、长尺寸的战略导弹发射筒应用方面开展了大量的研究工作，并获得了成功。

我国战略导弹发射筒也采用树脂基复合材料，比铝合金发射筒轻28%。发射筒采用纤维增强复合材料，可以很好地解决金属结构筒体存在的重量大、焊接变形、易锈蚀等问题，是未来主要发展趋势之一。

对于复合材料薄壁筒体，在满足力学性能的同时，还应满足耐烧蚀、电磁屏蔽、耐环境等功能要求，因此必须充分注重其结构、功能一体化铺层设计。本文碳纤维增强复合材料发射筒筒体的材料设计，采用以碳纤维为增强体、环氧树脂为基体制作筒体的复材结构层，以钢内衬作为耐烧蚀层和屏蔽层，法兰、吊装箍等辅件采用高强铝合金材料。

图1 碳纤维导弹发射筒

2. 碳纤维导弹发射箱盖

通常情况下，玻璃纤维增强材料强度高，韧性好，但刚度不足。碳纤维增强材料（CFRP）强度高，刚性好，但韧性不足。根据以上情况，考虑利用两种或两种以上的纤维，采用混杂的增强方式，增强同一种树脂基体组成复合材料，能够取所长，补其所短。可以在较广泛的范围满足产品对复合材料性能的使用要求，以此成型发射器身管，来提高发射器的强度、刚度和抗冲击性要求。

导弹发射箱盖的作用是：导弹正常贮存时保护弹头避免受到外界损伤并防止发射箱内的惰性气体外泄，导弹发射时箱盖能够及时打开不影响导弹正常发射，由于传统的发射箱盖常采用机械打开盖或爆破盖这两种形式的盖体不同程度上都具有打开反应时间慢、质量大和维修费用高等缺点，不利于导弹部队快速作战要求。

鉴于碳纤维复合材料轻质高强和可设计性强等特点，碳纤维复合材料发射箱盖正在逐渐代替传统发射箱盖，而利用发动机喷出的燃气流造成压力实现自动开盖的开盖方式凭借其高效、可靠和安全的优点被大规模推广应用。

选用碳纤维复合材料用作导弹发射箱箱盖的特点：选择环氧乙烯基酯类树脂兼具环氧树脂强度高和不饱和聚酯树脂工艺性好的特点，用环氧乙烯基酯做树脂、碳纤维做增强材料制造的碳纤维增强复合材料既具有优良的综合机械力学性能，又具有良好的耐高温性和耐候性以及较高的尺寸稳定性。

在导弹发射时，传统的机械打开盖与爆破盖有重量大、打开反应时间慢和维修费用高等缺陷，鉴于碳纤维复合材料轻质高强、抗腐蚀等优点，采用复合材料发射箱盖代替传统发射箱盖可以解决这些问题。

采用碳纤维增强复合材料制造发射箱箱体，可以很好的解决金属结构箱体存在的重量大、焊接变形、易锈蚀等诸多问题。采用复合材料制造发射箱，可以将结构做得非常简单、紧凑，使弹箱质量比远小于1，同时提高了导弹贮存和运输效率，相比金属材料有更高的设计自由度。

3. 便携式导弹发射器

碳纤维复合材料便携式导弹发射器主要用于单兵便携作战，武器系统结构紧凑，外形尺寸小，携带重量轻。对发射器的主要性能要求是：

a）导弹采用的是筒式发射方式，发射器必须是薄壁圆筒形截面结构。

b）发射器的重量为系统重量的1/6。

c）要求身管对导弹具有足够的锁定强度，密封性好，透湿率、轴向变形要小。

d）发射器，导弹，安全锁，一、二号电气接插件，压力调接阀，闭气膜，呼吸膜，前、后密封缓冲组件等组合构成武器系统。发射器为零部件提供了安装基准。

基于上述要求，碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料是发射器身管材料的首选方案。这样的身管方案具有结构紧凑、重量轻、强度高、刚性好、便于生产的特点。

按照发射器的强度和结构要求及纤维缠绕的特点，身管的结构采用螺旋缠绕和环向缠绕相结合的方式，以便发射器身管的径向、轴向强度和刚度满足综合性能要求。管身螺旋缠绕角度为35°，环向缠绕角度为 90°，螺旋循环数为 96 次，根据确定的螺旋缠绕角、缠绕方式、缠绕顺序以及螺旋和环向缠绕层数进行发射器身管的强度计算。

采用碳纤维/玻璃纤维增强复合材料研究导弹发射器身管，发射器重量轻，强度高，刚性好。碳纤维是弹箭复合材料发射器轻量化研究的首选材料之一。碳纤维导弹发射器身管的透湿率、轴线变形、锁弹强度、密封性能可以满足导弹发射器的设计要求，同时还具有电磁屏蔽的作用。发射简采用纤维增强复合材料，可以很好地解决金属结构筒体存在的重量大、焊接变形、易锈蚀等问题，是未来主要发展趋势之一。

发射筒筒体结构设计主要根据导弹外形结构、弹翼分布、导弹在筒内的支撑与导向方式以及其他使用要求进行。筒体截面形状为圆形，发射筒内壁需能耐受高温燃气流冲刷和多次使用要求，筒内壁选用了金属内衬，外层承载结构采用碳纤维/环氧树脂复合材料，考虑到筒前端受到较大的冲击载荷，发射筒前、后法兰选用高强铝合金，筒体设计有前、后吊装箍，保证发射筒的起吊和放置，吊装箍为高强铝合金材料。发射筒筒体由金属内衬、复材结构层、前法兰、后法兰、环筋、前吊装箍、后吊装箍等组成。

复合材料发射筒以钢内衬为芯模，外缠碳纤维/环氧树脂复合材料为结构层，在一定温度下高温固化成型。复合材料发射筒采用自动化设备连续纤维成型工艺简便且材料制造和制品成型同时完成，体现了复合材料制品的材料、设计和制造三者间的密切关系。

4. 超轻型迫击炮

M3“卡尔·古斯塔夫”在战场上的优异表现，美国陆军决定大规模采购装备这一瑞典制武器。2014年，瑞典萨博公司推出了M4新型反坦克火箭，M4重6.7KG，较卡尔·古斯塔夫M3轻约3KG，外壳采用碳纤维复合材料(减重0.8KG)，通过重新设计文丘里管使火箭炮减重0.9千克，M4的总长度减到了1米以内。

超轻型迫击炮研制时间也是从2015年就已经开始，正好与某超轻型120毫米迫击炮的总设计师讲述的“2015年我又担任了轻120迫击炮的总设计师”相吻合，估计其定型名称或许可能叫15式“轻120迫击炮”，从目前公开的信息，此迫击炮与美国洛克希德导弹与宇航公司已用碳纤维复合材料制造了一种120毫米迫击炮管一样，高性能碳纤维用作迫击炮身管外部增强层缠绕，内部采用Ni₂或者钛合金炮钢材料做内衬（未来有可能使用更轻的M46碳纤维方案），既大大降低了重量，又避免了完全使用碳纤维的引起的高温烧灼问题，也便于分成两节。