CN109955501B - 返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，通过将热固性树脂溶液沉积在增强相纤维表面，得到一个刚性体结构，解决低密度质软三维纤维结构整体成型易变形难题；再采用酚醛树脂真空辅助浸渍增强相，得到纤维骨架结构，提高了整体成型防热结构的力学性能，避免整体成型的大尺寸扇弧面防热结构失稳风险；最后在整个大尺寸扇弧面防热结构坯件内生成多孔酚醛树脂气凝胶结构，使材料具备隔热性能，完成整体防热结构成型。使用本方法制备的防热侧壁结构，刚性模具支撑情况下检测，尺寸精度优于2mm；密度均匀可控，密度均匀性在±0.02g/cm3；密度值具备可设计性，可设计范围在0.27～0.40g/cm3。

Description

返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法
技术领域
本发明涉及一种返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，属于返回式飞船热防护技术领域。
背景技术
返回式飞船在再入飞行过程，需经历高热流冲刷，返回式飞船外表面须有可靠、耐冲刷的热防护系统，确保对航天器内部的设备、人员的保护。随着深空探测技术的不断开展，针对第二宇宙飞行速度的热流环境，要求热防护系统表面烧蚀层不能开裂、脱落，对表面的结构稳定性和完整性要求更高，对热防护系统的轻量化提出更高要求。国外航天飞机多采用大量、低密度、小尺寸(尺寸小于600mm见方)的隔热瓦拼接而成，这种拼接方式存在结构稳定性差、安全性差、装配复杂、研制周期长等问题。为解决拼接成型带来的不足，急需研制低密度、大尺寸、尺寸精度控制性好、整体成型的防热结构成型工艺方法。
返回式飞船中部为锥体回转结构的防热侧壁结构(见图1)，考虑迎风面背风面因素、分区功能模块化因素和装配的高效性，返回式飞船热防护系统侧壁结构从母线方向和轴向对防热结构进行切分，所形成的防热分块尺寸包括锥形夹角不小于20°，最大弧长夹角不大于180°，最大宽度尺寸不大于母线通长的扇形弧面。而大曲率、大尺寸、弱刚性的扇弧面防热结构构型复杂、尺寸大、结构维形困难、高精度一体化成型困难。
发明内容
为了解决第二宇宙速度返回式飞船大尺寸、弱刚性的扇弧面防热结构整体成型难题，本发明提供一种返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，使用返回式飞船大尺寸、弱刚性扇弧面防热结构成型工艺方法制备的防热侧壁结构，刚性模具支撑情况下检测，尺寸精度优于2mm；密度均匀可控，密度均匀性在±0.02g/cm3。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，包括如下步骤：
步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液，在每个纤维层表面喷涂树脂；
步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在坯件成型模具完成纤维增强体的三维网络多孔结构整体成型；坯件成型模具与扇弧面防热结构坯件凹面形状匹配；
步骤3：将步骤2所制备的三维网络多孔结构树脂涂层完成高温凝胶反应形成扇弧面防热结构坯件；
步骤4：在扇弧面维形工装(1)上放置导气隔离材料(2)，然后放置扇弧面防热结构坯件(3)，凹面放置导胶隔离材料(4)并封真空袋(5)；
步骤5：配置含胶量5～50％的酚醛溶液；
步骤6：将步骤4封好的扇弧面维形工装(1)及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压一段时间后，将步骤5配置好的酚醛溶液通导入到扇弧面防热结构坯件(3)内；
步骤7：关闭进胶通道，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；
步骤8：将真空袋、导胶隔离材料拆除，将扇弧面防热结构坯件(3) 与扇弧面维形工装分离；
步骤9：将扇弧面防热结构坯件(3)放入扇弧面成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，完成扇弧面防热结构的刚性骨架结构成型；
步骤10：将酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例混合均匀形成反应物溶液；
步骤11：将步骤9形成的扇弧面刚性骨架装入扇弧面成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤10配置好的反应物溶液导入扇弧面成型工装内，静置一段时间，完成扇弧面刚性骨架的完全浸润；
步骤12：将扇弧面刚性骨架、反应物溶液以及扇弧面成型工装整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；
步骤13：将含有多孔酚醛树脂结构的扇弧面刚性骨架取出，进行表面清理；
步骤14：将清理后的扇弧面刚性骨架放入清理后的扇弧面成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成扇弧面防热结构坯件成型。
优选的，所述三维网络多孔结构整体成型采用三维针刺或三维编织成型技术整体成型。
优选的，步骤3中的高温凝胶反应具体为三维网络多孔结构加热到 80℃～200℃，保温4h～48h，凸面采用随形的托盘支撑，凹面采用随形的金属压条压紧。
优选的，所述扇弧面维形工装与扇弧面坯件的外形型面一致，型面精度优于侧壁型面精度；扇弧面维形工装底部几何中心设有至少一个注胶接口，每个注胶接口通过阀门控制密闭性，扇弧面维形工装上部外轮廓设有端面与扇弧面坯件的端面匹配定位。
优选的，扇弧面维形工装进行耐高温测试和气密性测试；要求能耐200℃以上高温，产品型面区域的气密性要求真空保压10分钟内压力变化值小于 0.01Mpa。
优选的，托盘采用镂空结构，扇弧面防热结构被覆盖面不大于外表面30％区域。
优选的，扇弧面成型工装进行高温保压测试，合模后保证高温 150℃～250℃，真空度不大于0.02MPa，保压2h以上。
优选的，酚醛树脂、催化剂、偶联剂、溶剂比例为20:1:3.7：60。
优选的，步骤14后还包括步骤15：将扇弧面防热结构坯件与机加支撑工装装夹，非加工面装夹贴实；支撑工装与扇弧面防热结构坯件凹面形状匹配，通过压紧装置进行固定，采用大型车铣加工设备按照扇弧面防热结构最终尺寸，完成外形尺寸加工。
优选的，所述扇弧面防热结构，锥形锥角不小于20°，弧长夹角不大于180°，母线在0.5～5m、壁厚20～100mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明使用返回式飞船大尺寸、弱刚性扇弧面防热结构成型工艺方法制备的防热侧壁结构，刚性模具支撑情况下检测，尺寸精度优于2mm；密度均匀可控，密度均匀性在±0.02g/cm3；密度值具备可设计性，可设计范围在0.27～0.40g/cm3。可成型防热侧壁结构尺寸包含：最大弧长夹角不大于 180°、母线在0.5～5m、壁厚在20～100mm范围。
(2)本发明在热固性树脂溶液沉积在表层纤维形成刚性层，提高了纤维表面的刚性，为整个大尺寸侧壁结构提供了刚性支撑，解决了成型过程易变形、尺寸精度控制难度大问题。在后续过程中无需对侧壁坯件进行额外的柔性防护，操作便捷。
(3)本发明生成侧壁刚性骨架结构，提高了防热材料的力学性能，可以承担部分结构载荷。
(4)本发明采用真空浸胶的方式能够使溶液更充分地填充多孔结构，提高防热材料成型质量。
(5)本发明对于侧壁开放式弱刚性结构，加工过程中提供稳定支撑，保证加工型面尺寸。
附图说明
图1为返回式飞船整体构型示意图；
图2为返回式飞船扇弧面防热结构成型工艺流程；
图3为最大包络尺寸的扇弧面防热结构构型示意图；其中(a)为俯视图；(b)为主视图；(c)为左视图；(d)为前向视图；
图4中(a)为 实施例1扇弧面防热结构尺寸图；(b)为图(a)的A-A 剖视图；
图5为实例1扇弧面再设计后坯件示意图；
图6为扇弧面坯件与维形工装合模示意图。
具体实施方式
按照设计要求，将图1所示的返回式飞船整体构型的侧壁，高度及周向划分为多个扇弧面，如图3所示为最大包络尺寸的扇弧面防热结构。所述大尺寸(最大投影面积大于1m2)、弱刚性扇弧面结构尺寸包含：锥形锥角不小于20°，弧长夹角不大于180°、母线在0.5～5m、壁厚20～100mm；防热材料密度为0.2～0.9g/cm3。
如图2所示，本发明的载体为返回式飞船锥形回转体的防热侧壁结构成型工艺流程：
步骤1：根据扇弧面防热结构尺寸进行坯件结构尺寸再设计，参见图5，增加厚度余量，在母线两侧的终止边界在同一平面内向外分别延伸出定位端面；根据坯件结构尺寸设计的扇弧面维形工装和扇弧面成型工装。
扇弧面维形工装与扇弧面坯件的外形型面一致，型面精度优于侧壁型面精度；扇弧面维形工装底部几何中心设有至少一个注胶接口，每个注胶接口通过阀门控制密闭性，扇弧面维形工装上部外轮廓设有端面略大于定位端面外形。
扇弧面成型工装为密封腔体，内部设置用于承托防隔热材料的托盘；托盘采用镂空结构，防隔热材料被覆盖面不大于外表面30％区域。
步骤2：完成步骤1所加工的扇弧面维形工装进行耐高温测试和气密性测试，工装要求能耐200℃以上高温，产品型面区域的气密性要求真空保压 10分钟内压力变化值小于0.01MPa；扇弧面成型工装进行的高温保压测试，工装合模后保证高温150℃～250℃，真空度不大于0.02MPa，保压2h以上，具备溶液通路和导气通路，能够注液和通气。工装满足测试要求，方可进行下一步生产。
步骤3：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液，使用醇类或脂类溶剂进行稀释，搅拌均匀；在每个纤维层表面喷涂树脂。
步骤4：采用步骤3处理后的纤维在坯件成型模具完成纤维增强体的三维网络多孔结构整体成型；坯件成型模具与坯件凹面形状匹配；所述三维网络多孔结构整体成型指采用三维成型技术(如三维针刺、三维编织技术，但不限于以上两种技术)整体成型纤维增强体结构。
步骤5：将步骤4所制备的增强体整体加热，80℃～200℃，保温4h～48h，使树脂涂层完成高温凝胶反应，该过程要求采用辅助工装(与凸面随形的托盘以及与凹面随形的金属压条)保证整体纤维多孔结构不发生变形。
步骤6：将步骤5处理后的增强体3放置在扇弧面维形工装1上，结合图6，凸面与工装1内腔贴合，中间放置导气隔离材料2，产品凹面封真空袋5、导胶隔离材料4；6为真空袋密封面。
步骤7：配置纤维增强酚醛树脂溶液；所述纤维增强树脂溶液采用酚醛树脂与醇类或者脂类溶剂配置含胶量5～50％的酚醛溶液。
步骤8：将步骤6封好的工装及真空袋，接真空软管、真空泵设备，采用真空辅助浸胶工艺方法，将步骤7配置好的酚醛溶液通导入到增强体内。
步骤9：关闭进胶通道，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥。采用真空辅助加压方式，保证整体纤维多孔结构内部的真空环境，持续加热，完成溶剂干燥。
步骤10：当溶剂烘干后，将步骤8所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将增强体与扇弧面维形工装分离。
步骤11：将扇弧面增强体放入步骤3加工的扇弧面成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，完成扇弧面防热结构的刚性骨架结构成型。
步骤12：将酚醛树脂、催化剂(吐温-80)、偶联剂(草酸H550)、溶剂(乙二醇)按20:1:3.7:60比例混合均匀形成反应物溶液。
步骤13：将步骤11形成的扇弧面刚性骨架装入扇弧面成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤12配置好的反应物溶液导入成型工装内，静置2h，完成扇弧面刚性骨架的完全浸润。
步骤14：将步骤13完成浸渍的扇弧面刚性骨架、工装内导入的反应物溶液以及扇弧面成型工装整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构。
步骤15：将含有多孔酚醛树脂结构的骨架结构取出，进行表面清理，要求产品外形清理干净，露出纤维层。同时，将成型工装内的反应物清理干净。
步骤16：将清理后的扇弧面防热结构坯件放入清理后的扇弧面成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理。干燥结束后，完成扇弧面防热结构坯件成型。
步骤17：将扇弧面防热结构坯件与机加支撑工装装夹，非加工面装夹贴实；支撑工装与扇弧面防热结构坯件凹面形状匹配，通过压紧装置进行固定。
步骤18：按照扇弧面防热结构最终尺寸进行数控编程，采用大型车铣加工设备，完成扇弧面防热结构外形尺寸加工。最终完成返回式飞船扇弧面防热结构的整体成型。
实施例1：
在研制图4所示尺寸的扇弧形防热结构时，首先对防热结构尺寸进行了工艺再设计，壁厚内外表面各增加了8mm，结构开口端部增加了宽度200mm 的工艺翻边设计，工艺再设计后坯件构型如图5所示。然后依据工艺再设计尺寸完成工装设计和加工。在纤维表面进行纤维质量比3％的环氧树脂喷涂。然后在增强体工装上采用三维针刺方法完成扇弧面防热结构的三维网络多孔结构整体成型。将整体成型的防热增强体进行加热，130℃，保温8h，形成防热结构的刚性体。然后将防热增强体与扇弧面维形合模，封真空袋。配置含胶量25％的酚醛树脂溶液，采用真空辅助浸胶方法将导入防热增强体内，并完成溶剂干燥。将纤维增强体放入扇弧面成型工装内，进行酚醛树脂溶液—凝胶反应。将酚醛树脂、催化剂(吐温-80)、偶联剂(草酸H550)、溶剂(乙二醇)按20:1:3.7:60混合均匀形成反应物溶液，然后将配置好的反应物溶液导入带产品的扇弧面成型工装内，静置2h，溶液完全浸润骨架结构后，将成型工装进行加热，完成溶胶-凝胶反应。降温后，打开工装，清理产品表面和工装内腔，然后再次合模，形成真空系统，进行溶剂烘干处理。干燥结束后得到扇弧面防热结构坯件。再依据图4尺寸，进行数控编程，在大型车铣加工设备上完成扇弧面防热结构外形尺寸加工。最终完成大尺寸、弱刚性扇弧面防热结构的整体成型。所成型的防热结构密度为0.40g/cm3，经探伤检测密度均匀性在±0.02g/cm3内，尺寸型面精度外表面优于2mm。
本发明通过将热固性树脂溶液沉积在增强相纤维表面，得到一个刚性体结构，解决了低密度质软三维纤维结构整体成型易变形难题；再采用酚醛树脂真空辅助浸渍增强相，得到纤维骨架结构，提高了整体成型防热结构的力学性能，避免整体成型的大尺寸扇弧面防热结构失稳风险；最后在整个大尺寸扇弧面防热结构坯件内生成多孔酚醛树脂气凝胶结构，使材料具备隔热性能，完成整体防热结构成型。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液，在每个纤维层表面喷涂树脂；
步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在坯件成型模具完成纤维增强体的三维网络多孔结构整体成型；坯件成型模具与扇弧面防热结构坯件凹面形状匹配；
步骤3：将步骤2所制备的三维网络多孔结构树脂涂层完成高温凝胶反应形成扇弧面防热结构坯件；
步骤4：在扇弧面维形工装(1)上放置导气隔离材料(2)，然后放置扇弧面防热结构坯件(3)，凹面放置导胶隔离材料(4)并封真空袋(5)；
步骤5：配置含胶量5～50％的酚醛溶液；
步骤6：将步骤4封好的扇弧面维形工装(1)及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压一段时间后，将步骤5配置好的酚醛溶液通导入到扇弧面防热结构坯件(3)内；
步骤7：关闭进胶通道，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；
步骤8：将真空袋、导胶隔离材料拆除，将扇弧面防热结构坯件(3)与扇弧面维形工装分离；
步骤9：将扇弧面防热结构坯件(3)放入扇弧面成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，完成扇弧面防热结构的刚性骨架结构成型；
步骤10：将酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例混合均匀形成反应物溶液；
步骤11：将步骤9形成的扇弧面刚性骨架装入扇弧面成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤10配置好的反应物溶液导入扇弧面成型工装内，静置一段时间，完成扇弧面刚性骨架的完全浸润；
步骤12：将扇弧面刚性骨架、反应物溶液以及扇弧面成型工装整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；
步骤13：将含有多孔酚醛树脂结构的扇弧面刚性骨架取出，进行表面清理；
步骤14：将清理后的扇弧面刚性骨架放入清理后的扇弧面成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成扇弧面防热结构坯件成型。
2.如权利要求1所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，所述三维网络多孔结构整体成型采用三维针刺或三维编织成型技术整体成型。
3.如权利要求1或2所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，步骤3中的高温凝胶反应具体为三维网络多孔结构加热到80℃～200℃，保温4h～48h，凸面采用随形的托盘支撑，凹面采用随形的金属压条压紧。
4.如权利要求1或2所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，所述扇弧面维形工装与扇弧面坯件的外形型面一致，型面精度优于侧壁型面精度；扇弧面维形工装底部几何中心设有至少一个注胶接口，每个注胶接口通过阀门控制密闭性，扇弧面维形工装上部外轮廓设有端面与扇弧面坯件的端面匹配定位。
5.如权利要求4所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，扇弧面维形工装进行耐高温测试和气密性测试；要求能耐200℃以上高温，产品型面区域的气密性要求真空保压10分钟内压力变化值小于0.01Mpa。
6.如权利要求1或2所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，托盘采用镂空结构，扇弧面防热结构被覆盖面不大于外表面30％区域。
7.如权利要求1或2所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，扇弧面成型工装进行高温保压测试，合模后保证高温150℃～250℃，真空度不大于0.02MPa，保压2h以上。
8.如权利要求1所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，酚醛树脂、催化剂、偶联剂、溶剂比例为20:1:3.7：60。
9.如权利要求1所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，步骤14后还包括步骤15：将扇弧面防热结构坯件与机加支撑工装装夹，非加工面装夹贴实；支撑工装与扇弧面防热结构坯件凹面形状匹配，通过压紧装置进行固定，采用大型车铣加工设备按照扇弧面防热结构最终尺寸，完成外形尺寸加工。
10.如权利要求1所述的返回式飞船大尺寸扇弧面防热结构成型工艺方法，其特征在于，所述扇弧面防热结构，锥形锥角不小于20°，弧长夹角不大于180°，母线在0.5～5m、壁厚20～100mm。
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