CN105840344A - 一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺 - Google Patents

一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺 Download PDF

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Abstract

一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，本发明涉及一种火箭发动机技术领域，特别是涉及一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱的制备和脱模工艺领域。本发明的目的是为了解决传统的金属材料药柱芯模在固化成型后不易脱模及脱模过程中易爆炸的问题。本发明的固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺按以下步骤进行：一、形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料的前处理；二、制备内孔燃烧药柱结构的芯模；三、芯模快速脱模。本发明的药柱制备及安全快速脱模技术用于固体火箭发动机内孔燃烧药柱。

Description

一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺
技术领域
本发明涉及一种火箭发动机技术领域，特别是涉及一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱的制备和脱模工艺领域。
背景技术
药柱的燃烧将为固体火箭的发射提供推力，是固体火箭发动机的关键技术之一。现有的固体火箭发动机药柱制备技术多为金属芯模，在装药固化成型后，存在内部芯模不易脱模，以及在脱模过程中内部金属芯模与药柱产生摩擦，使药柱燃烧，产生爆炸的危险。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的金属材料药柱芯模在固化成型后不易脱模及脱模过程中易爆炸的问题，而提供一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺。应用形状记忆聚合物及其复合材料制备药柱芯模，通过形状记忆聚合物的形状记忆过程，从而实现药柱的成型和芯模的脱模工艺。
本发明的固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺按以下步骤进行：
一、形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料的前处理：调节形状记忆聚合物组分比例或向形状记忆聚合物内加入增强材料，使得形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料在40℃-48℃可以保持临时形状，在52℃-60℃可以回复最初形状(当温度在40℃-48℃内，形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料可以保持最终的药柱芯模工作状态不回复；当温度在52℃-60℃内，形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料无法保持最终的药柱芯模工作状态不回复，芯模逐渐回复到最初的直筒状态，便于脱模)，变形能力不小于50％，芯模壁厚在2-10mm之间；加入增强材料的含量占总质量的3％～10％，得到改进的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料；
二、制备内孔燃烧药柱结构的芯模：将步骤一得到的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料采用浇注工艺固化成固态的内孔燃烧药柱结构芯模的初始形状，通常为直筒型；进而，将温度升高至75℃-100℃，借助于外部辅助刚性模具作用(其内腔为药柱芯模临时工作状态)，施加压力0.02MPa-0.1MPa变形至最终状态的药柱芯模形状，保持压力然后降温；待温度降为室温后，撤去外在压力0.02MPa-0.1MPa，模具保持为临时工作形态，即药柱结构的最终工作状态；
三、芯模快速脱模：将步骤二制备的芯模进行热空气加热(高温干燥箱、热压罐、热风枪)、红外光(波长在1000-8000nm之间)或电阻膜(电阻在1-500欧姆之间)加热刺激，温度上升至52℃-60℃，形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料药柱芯模由最终工作状态恢复成初始直筒状态，模具表面与固化的药柱表面产生脱离，从而实现芯模的快速脱模。
所述形状记忆聚合物材料可以为聚氨酯形状记忆聚合物、环氧类的形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物、双马来酰亚胺形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物中的一种或多种。
所述增强材料为碳纳米颗粒、炭黑、短纤维、聚氨酯类纤维、高弹性纤维或织物。
所述芯模为圆管形，星形或压力瓶形(中间直径大，两端直径小)。
所述芯模为一个或多个相互不连通的芯模的组合。
本发明与现有的技术相比具有以下有益效果：本发明基于形状记忆聚合物良好的形状固定能力、形状回复能力、广泛可调的玻璃转化温度、不同温度下的巨大刚度和强度差异等优势，将其应用于固体火箭发动机内孔燃烧药柱芯模，以达到缩短生产周期、简化生产流程、节约生产成本的效果。
本发明的固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺能够有效的降低固体火箭发动机药柱的制备成本、生产周期和简化生产流程，同时有效的降低了固体火箭发动机在成型后脱模过程中，由于操作不当造成的爆炸等危险，有效的提高了工作人员的人身安全。
附图说明
图1为实施例1固体火箭发动机药柱形状记忆聚合物芯模的初始形状示意图；
图2为实施例1固体火箭发动机药柱形状记忆聚合物芯模的变形后临时形状示意图；
图3为固体火箭发动机药柱形状记忆聚合物药柱的装配示意图；其中1为上定位盖，2为金属外壳，3为药柱填充材料，4为芯模，5为下定位盖；
图4为实施例1固体火箭发动机药柱形状记忆聚合物芯模的加热回复初始形状示意图；
图5为实施例2固体火箭发动机药柱形状记忆聚合物电加热芯模示意图，其中1为芯模，2为电热膜。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺按以下步骤进行：
一、形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料的前处理：调节形状记忆聚合物组分比例或向形状记忆聚合物内加入增强材料，加入增强材料的含量占总质量的3％～10％，得到改进的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料；
二、制备内孔燃烧药柱结构的芯模：将步骤一得到的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料采用浇注工艺固化成固态的内孔燃烧药柱结构芯模的初始形状；进而，将温度升高至75℃-100℃，借助于外部辅助刚性模具作用，施加压力0.02MPa-0.1MPa变形至最终状态的药柱芯模形状，保持压力然后降温；待温度降为室温后，撤去压力，模具保持为临时工作形态，即药柱结构的最终工作状态；
三、芯模快速脱模：将步骤二制备的芯模进行加热刺激或光刺激，形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料药柱芯模由最终工作状态恢复成初始状态，模具表面与固化的药柱表面产生脱离，从而实现芯模的快速脱模。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一得到的改进的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料具有以下性质：在40℃-48℃可以保持临时形状，在52℃-60℃可以回复最初形状，变形能力不小于50％，芯模壁厚在2-10mm之间。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一所述的形状记忆聚合物材料为聚氨酯形状记忆聚合物、环氧类的形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物、双马来酰亚胺形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物中的一种或多种。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一所述的增强材料为碳纳米颗粒、炭黑、短纤维、聚氨酯类纤维、高弹性纤维或织物。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述芯模为圆管形、星形或压力瓶形。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三加热刺激为热空气加热或电加热刺激；所述热空气加热的温度为52℃-60℃，电加热刺激为经电阻在1欧姆-500欧姆之间的电阻膜加热至温度为52℃-60℃的刺激。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，所述热空气加热为利用高温干燥箱、热压罐或热风枪进行加热。其他步骤与参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三光刺激为波长在1000nm-8000nm之间的红外光刺激。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是，当药柱成型温度位于40℃-80℃，使用聚氨酯形状记忆聚合物、环氧类的形状记忆聚合物或苯乙烯类形状记忆聚合物；当药柱成型温度位于120℃-200℃，使用氰酸酯类形状记忆聚合物、双马来酰亚胺形状记忆聚合物或聚酰亚胺形状记忆聚合物。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述芯模为一个或多个相互不连通的芯模的组合。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
实施例1
本实施例的固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺按以下步骤进行：
一、形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料的前处理：调节苯乙烯形状记忆聚合物组分比例，得到改进的苯乙烯形状记忆聚合物；
二、制备内孔燃烧药柱结构的芯模：将改进的苯乙烯形状记忆聚合物倒入辅助金属模具中，放入高温干燥箱，采用70℃的温度，固化时间20h-24h，获得固化后的形状记忆聚合物材料芯模初始直筒形状，如图1所示；进而，将温度升高至80℃，借助于外部辅助刚性模具作用(其内腔为药柱芯模临时工作状态)，如图2所示，施加压力0.1MPa变形至最终状态的药柱芯模形状，保持压力然后降温；待温度降为室温后，撤去外在压力0.1MPa，模具保持为临时工作形态，即药柱结构的最终工作状态；
三、芯模快速脱模：将药物固化后的药柱整体组装结构升温至60℃，形状记忆聚合物材料药柱芯模回复如图4所示的最初形状，依次拆除上定位盖、下定位盖，药柱芯模，模具表面与固化的药柱表面产生脱离，从而实现芯模的快速脱模。
实施例2
本实施例的固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺按以下步骤进行：
一、形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料的前处理：调节苯乙烯形状记忆聚合物组分比例，得到改进的苯乙烯形状记忆聚合物；
二、制备内孔燃烧药柱结构的芯模：将改进的苯乙烯形状记忆聚合物倒入辅助金属模具中，放入高温干燥箱，采用70℃的温度，固化时间20h-24h，获得固化后的苯乙烯形状记忆聚合物材料芯模初始直筒形状；进而，将温度升高至80℃，借助于外部辅助刚性模具作用(其内腔为药柱芯模临时工作状态)，施加压力0.1MPa变形至最终状态的药柱芯模形状，保持压力然后降温；待温度降为室温后，撤去外在压力0.1MPa，模具保持为临时工作形态，即药柱结构的最终工作状态；
三、芯模快速脱模：将药物固化后的药柱整体组装结构经电阻200欧姆的电阻膜加热至温度为60℃，如图5示意图所示，苯乙烯形状记忆聚合物材料药柱芯模回复最初形状，依次拆除上定位盖、下定位盖，药柱芯模，模具表面与固化的药柱表面产生脱离，从而实现芯模的快速脱模。
通过实施例1和实施例2的方法均实现了固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模的过程，有效的降低了固体火箭发动机在成型后脱模过程中，由于操作不当造成爆炸的危险。

Claims (10)

1.一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：按以下步骤进行：
一、形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料的前处理：调节形状记忆聚合物组分比例或向形状记忆聚合物内加入增强材料，加入增强材料的含量占总质量的3％～10％，得到改进的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料；
二、制备内孔燃烧药柱结构的芯模：将步骤一得到的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料采用浇注工艺固化成固态的内孔燃烧药柱结构芯模的初始形状；进而，将温度升高至75℃-100℃，借助于外部辅助刚性模具作用，施加压力0.02MPa-0.1MPa变形至最终状态的药柱芯模形状，保持压力然后降温；待温度降为室温后，撤去压力，模具保持为临时工作形态，即药柱结构的最终工作状态；
三、芯模快速脱模：将步骤二制备的芯模进行加热刺激或光刺激，形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料药柱芯模由最终工作状态恢复成初始状态，模具表面与固化的药柱表面产生脱离，从而实现芯模的快速脱模。
2.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：步骤一得到的改进的形状记忆聚合物或形状记忆聚合物复合材料具有以下性质：在40℃-48℃可以保持临时形状，在52℃-60℃可以回复最初形状，变形能力不小于50％，芯模壁厚在2-10mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：所述的形状记忆聚合物材料为聚氨酯形状记忆聚合物、环氧类的形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物、双马来酰亚胺形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：步骤一所述的增强材料为碳纳米颗粒、炭黑、短纤维、聚氨酯类纤维、高弹性纤维或织物。
5.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：所述芯模为圆管形、星形或压力瓶形。
6.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：步骤三加热刺激为热空气加热或电加热刺激；所述热空气加热的温度为52℃-60℃，电加热刺激为经电阻在1欧姆-500欧姆之间的电阻膜加热至温度为52℃-60℃的刺激。
7.根据权利要求6所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：所述热空气加热为利用高温干燥箱、热压罐或热风枪进行加热。
8.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：步骤三光刺激为波长在1000nm-8000nm之间的红外光刺激。
9.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：当药柱成型温度位于40℃-80℃，使用聚氨酯形状记忆聚合物、环氧类的形状记忆聚合物或苯乙烯类形状记忆聚合物；当药柱成型温度位于120℃-200℃，使用氰酸酯类形状记忆聚合物、双马来酰亚胺形状记忆聚合物或聚酰亚胺形状记忆聚合物。
10.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内孔燃烧药柱制备及安全快速脱模工艺，其特征在于：所述芯模为一个或多个相互不连通的芯模的组合。
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