CN109955505B - 一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法 - Google Patents

一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，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，避免整体成型防热头罩产品结构失稳风险；最后整个防热头罩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，实现了大尺寸返回式飞船防热头罩整体成型，获得的防热头罩结构，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

一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法
技术领域
本发明涉及一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，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、尺寸精度控制性好、整体成型的防热结构成型工艺方法。
返回式飞船顶部头罩为大尺寸、低密度的半球+锥回转体结构(见图1)。构型复杂、尺寸大、高精度一体化成型困难，目前现有成型方法多采用分块成型，再整体拼接成型工艺方法，无法实现整体成型。
发明内容
为了第二宇宙速度返回式飞船顶部半球+锥回转体结构的防热头罩整体成型难题，本发明提供一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，获得的防热头罩结构，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。
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防热头罩整体成型工艺方法，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热固性树脂溶液；
步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在加工的头罩坯件成型工装上完成头罩的三维网络多孔结构整体成型；头罩成型工装为密封腔体，设置用于承托三维网络多孔结构的托盘；
步骤3：三维网络多孔结构树脂涂层进行高温凝胶反应形成头罩坯件；
步骤4：头罩维形工装上放置导气隔离材料(3)，然后放置头罩坯件，凹面放置导胶隔离材料(5)并封真空袋(6)；
步骤5：将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6：将步骤4封好的头罩维形工装及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压2h后，将步骤5配置好的酚醛溶液导入到头罩坯件内；
步骤7：关闭注胶接口，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；
步骤8：将所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将头罩坯件与头罩维形工装分离；
步骤9：将头罩坯件放入头罩成型工装内，进行溶液-凝胶反应，完成防热头罩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形成的刚性骨架结构装入头罩成型工装内，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成型工装内，静止2h，完成头罩刚性骨架的完全浸润；
步骤12：将步骤11完成浸润的头罩刚性骨架、反应物溶液以及头罩成型工装整体加热，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骨架结构取出，进行表面清理；
步骤14：将清理后的防热头罩坯件放入清理后的头罩成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成防热头罩坯件成型。
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，采用托盘支撑。
优选的，所述头罩维形工装的内型面与头罩坯件的外形型面一致，型面精度优于头罩的外形型面精度；维形工装底部即回转体的转轴下部设有至少一个注胶接口。
优选的，头罩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，所述托盘采用镂空结构，防隔热材料被覆盖面不大于外表面30％区域。
优选的，头罩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、偶联剂按比例为20:1:3.7。
优选的，步骤14后还包括步骤15：按照防热头罩最终尺寸采用大型车铣加工设备，完成防热头罩外形尺寸加工。
优选的，头罩包括半球面及与半球切线连接的锥面回转体，半球面半径在SR500mm～SR2000mm，锥面回转体锥角不小于20°，头罩总高度尺寸不大于2m，壁厚在20～100mm范围。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明实现了大尺寸返回式飞船防热头罩整体成型，获得的防热头罩结构，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。
(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，为整个大尺寸头罩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头罩坯件进行额外的柔性防护，操作便捷。
(3)本发明生成头罩刚性骨架结构，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。
附图说明
图1(a)为半球及锥回转体防热头罩俯视图；图1(b)为半球及锥回转体防热头罩侧向视图；
图2为返回式飞船防热头罩整体成型工艺流程；
图3为实施例1防热头罩产品尺寸图；
图4为头罩坯件与头罩维形工装合模示意图；
图5为图4中A部分的局部视图；
其中1-密封面、2-头罩维形工装、3-薄膜隔离材料、4-头罩坯件、5-导气毡被、6-真空袋膜。
具体实施方式
如图1所示，本发明的载体为返回式飞船的半球+锥回转体防热头罩。
根据防热头罩结构尺寸进行坯件结构尺寸设计，增加厚度余量，在头罩的开口端面水平延伸出环形定位端面；根据设计的防热头罩设计头罩维形工装和头罩成型工装；所述再设计指按照产品理论尺寸，设计便于成型操作和为保证尺寸精度的工艺区，采用但不限于增大尺寸、增加构型设计方面进行产品坯件尺寸增大设计；
结合图图4-5，所述维形工装2的内型面与头罩坯件4的外形型面一致，型面精度优于头罩的外形型面精度；维形工装2底部即回转体的转轴下部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，维形工装2上部外轮廓设有端面略大于环形定位端面外形。
头罩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。
所加工的头罩维形工装2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；
头罩成型工装进行高温保压测试。所述头罩成型工装指采用分模设计，保证工艺再设计尺寸的防热头罩结构能顺利装入成型工装容腔内，产品区域与工装内腔不接触，通过工艺区接触与支撑。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。
所述防热材料为低密度防热材料，密度为0.2～0.9g/cm3；可成型半球+锥回转体结构防热头罩尺寸包含：半球体半径在SR500mm～SR2000mm范围、锥角不小于20°、总高度尺寸不大于2m、壁厚在20～100mm范围。
具体整体成型工艺流程见图2，包括以下步骤：
步骤1：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2：采用步骤1处理后的纤维层在加工的头罩坯件成型模具上完成头罩纤维体的三维网络多孔结构整体成型；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。坯件成型模具与坯件凹面形状匹配。
步骤3：将步骤2所制备的三维网络多孔结构加热80℃～200℃，保温4h～48h，使树脂涂层完成高温凝胶反应形成头罩坯件，该过程要求采用托盘保证整体纤维多孔结构不发生变形；
步骤4：将步骤3处理后的头罩坯件放置在头罩维形工装上，结合图4凸面与工装内腔贴合，中间放置导气隔离材料，产品凹面封真空袋5、导胶隔离材料4；
步骤5：配置纤维增强酚醛树脂溶液；所述纤维增强树脂溶液指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6：将步骤4封好的工装及真空袋，接真空软管、真空泵设备，抽真空，保压2h后，将步骤5配置好的溶液通导入到头罩坯件内；
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。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，加热完成溶剂干燥。
步骤8：当溶剂烘干后，将所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将头罩坯件与头罩维形工装分离。
步骤9：将头罩坯件放入头罩成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，完成防热头罩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；用于填充头罩坯件的孔隙，形成防热材料；
步骤11：将步骤9形成的刚性骨架结构装入头罩成型工装内，工装合模，并抽真空，保持一段时间后，将步骤10配置好的反应物溶液导入成型工装内，静止2h，完成头罩刚性骨架的完全浸润；
步骤12：将步骤11完成浸润的头罩刚性骨架、反应物溶液以及头罩成型工装整体加热，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14：将清理后的防热头罩坯件放入清理后的头罩成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理。干燥结束后，完成防热头罩坯件成型。
步骤15：按照防热头罩最终尺寸进行数控编程，采用大型车铣加工设备，完成防热头罩外形尺寸加工。最终完成返回式飞船防热头罩的整体成型。
实施例1：
在研制图3所示尺寸的防热头罩时，首先对防热头罩尺寸进行了工艺再设计，壁厚内外表面各增加了5mm，结构开口端部增加了宽度150mm的工艺翻边设计。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2％的酚醛树脂喷涂。然后在头罩增强体工装上采用三维针刺方法完成防热头罩的三维网络多孔结构整体成型。将整体成型的防热头罩增强体进行加热，80℃，保温48h，形成防热头罩的刚性体。然后将防热头罩增强体与头罩维形工装合模，封真空袋。配置含胶量20％的酚醛树脂溶液，采用真空辅助浸胶方法将导入防热头罩坯件内，并完成溶剂干燥。将防热头罩放入头罩成型工装内，加热到150℃，保温10h，完成酚醛树脂溶液—凝胶反应，完成防热头罩的刚性骨架结构成型。将酚醛树脂、催化剂(吐温-80)、偶联剂(草酸H550)按20:1:3.7比例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头罩成型工装内，静止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。干燥结束后得到防热头罩坯件。再依据图3尺寸，进行数控编程，在大型车铣加工设备上完成防热头罩外形尺寸加工。最终完成低密度、半球+锥回转体结构的防热头罩整体成型。所成型的防热头罩密度为0.36g/cm3，经探伤检测密度均匀性在±0.02g/cm3内，尺寸型面精度内外表面均优于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，避免整体成型防热头罩产品结构失稳风险；最后整个防热头罩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，最终实现了大尺寸返回式飞船防热头罩整体成型。
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)

1.一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：配制含胶量2～3％的热固性树脂溶液；在每个纤维层表面喷涂热固性树脂溶液；
步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在加工的头罩坯件成型工装上完成头罩的三维网络多孔结构整体成型；头罩坯件成型工装为密封腔体，设置用于承托三维网络多孔结构的托盘；
步骤3：三维网络多孔结构树脂涂层进行高温凝胶反应形成头罩坯件；
步骤4：头罩维形工装上放置导气隔离材料(3)，然后放置头罩坯件，凹面放置导胶隔离材料(5)并封真空袋(6)；
步骤5：将酚醛树脂与醇类或者脂类溶剂配制含胶量5～50％的酚醛溶液；
步骤6：将步骤4封好的头罩维形工装及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压2h后，将步骤5配制好的酚醛溶液导入到头罩坯件内；
步骤7：关闭注胶接口，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；
步骤8：将所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将头罩坯件与头罩维形工装分离；
步骤9：将头罩坯件放入头罩成型工装内，进行溶液-凝胶反应，完成防热头罩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形成的刚性骨架结构装入头罩成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤10配制好的反应物溶液导入头罩成型工装内，静止2h，完成刚性骨架结构的完全浸润；
步骤12：将步骤11完成浸润的刚性骨架结构、反应物溶液以及头罩成型工装整体加热，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刚性骨架结构取出，进行表面清理；
步骤14：将清理后的防热头罩坯件放入清理后的头罩成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成防热头罩坯件成型。
2.如权利要求1所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，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所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，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，采用托盘支撑。
4.如权利要求1所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，所述头罩维形工装的内型面与头罩坯件的外形型面一致，型面精度优于头罩的外形型面精度；头罩维形工装底部即回转体的转轴下部设有至少一个注胶接口。
5.如权利要求4所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，头罩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所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，所述托盘采用镂空结构，防隔热材料被覆盖面不大于外表面30％区域。
7.如权利要求1所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，头罩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所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例为20:1:3.7。
9.如权利要求1所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，步骤14后还包括步骤15：按照防热头罩最终尺寸采用大型车铣加工设备，完成防热头罩外形尺寸加工。
10.如权利要求1所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，防热头罩包括半球面及与半球切线连接的锥面回转体，半球面半径在SR500mm～SR2000mm，锥面回转体锥角不小于20°，防热头罩总高度尺寸不大于2m，壁厚在20～100mm范围。
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