CN109955506B - 一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，解决了第二宇宙速度返回式飞船底部球锥回转体结构的防热大底整体成型难题。使用返回式飞船防热大底整体成型工艺方法成型的防热大底结构，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0.56～0.64g/cm3。可成型球锥回转体结构防热大底尺寸包含：半球体半径在SR1000mm～SR5000mm范围、总高度尺寸不大于1000mm、壁厚在20～100mm范围。

Description

一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法
技术领域
本发明涉及一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，属于第二宇宙速度的返回式飞船热防护系统领域。
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。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法。
本发明的技术解决方案是：
一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，步骤如下：
(1)根据防热大底结构尺寸确定坯件结构尺寸；返回式飞船的防热大底为球锥回转体结构；
(2)根据坯件结构尺寸制备大底增强体；
(3)确定大底增强体的大底支撑工装、大底维形工装、大底成型工装；
(4)将大底增强体放置在大底支撑工装上，对大底增强体表面进行树脂涂层处理；
(5)整体加热，使树脂涂层完成高温凝胶反应，保证大底增强体不发生变形；
(6)将步骤(5)处理后的大底增强体放置在大底维形工装上，大底增强体外表面与工装内腔贴合，且大底增强体外表面与工装内腔之间放置导气隔离材料，大底增强体内表面封真空袋、导胶隔离材料；
(7)配制酚醛树脂溶液；
(8)将步骤(6)封好的大底维形工装及真空袋，接通真空软管、真空泵设备，采用真空辅助浸胶工艺方法，将步骤(7)配置好的酚醛树脂溶液导入到大底增强体内部，维持真空泵工作，大底增强体持续加热，完成溶剂干燥；
(9)将真空袋、导胶隔离材料、真空软管、真空泵设备拆除，将大底增强体与大底维形工装分离；
(10)将大底增强体放入大底成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，令内部酚醛树脂固化，完成大底的刚性骨架结构成型；
(11)配制反应物溶液；
(12)针对大底成型工装内的大底刚性骨架，工装合模，并抽真空，保持10min后，将反应物溶液导入大底成型工装内，静止2h，完成大底刚性骨架的浸润；
(13)将完成浸润的大底刚性骨架、大底成型工装内导入的反应物溶液整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；
(14)将大底刚性骨架进行表面清理，露出纤维层，同时，将大底成型工装内清理干净；
(15)将清理后的大底刚性骨架放入清理后的大底成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，干燥结束后，完成防热大底成型。
(16)采用车铣加工设备，完成防热大底外形尺寸加工，最终完成返回式飞船防热大底的整体成型。
大底增强体为三维结构纤维织物预制体结构，其密度范围在0.2～0.9g/cm3之间；球锥回转体结构的半球体半径在SR1000mm～SR5000mm范围、总高度尺寸不大于1000mm、壁厚在20～100mm范围；酚醛树脂溶液中酚醛树脂的质量百分比为(50±10)％，剩余为乙醇。
所述反应物溶液具体为：将间苯二酚、糠醛以及氢氧化钠按摩尔比1:0.02:2.5溶于乙醇中，使用搅拌器搅拌1h，形成浓度为30～50％的反应物溶液。
所述步骤(4)对大底增强体表面进行树脂涂层处理具体为：采用的热固性树脂的质量为大底增强体质量的1％～3％。
所述大底支撑工装用于大底增强体树脂涂层处理过程中的支撑；大底支撑工装内形面与防热结构的气动外形型面一致，上部设置有翻边，内型面均布加工圆形通孔，翻边下方放置支撑柱停放于地面。
所述大底维形工装用于为大底增强体真空辅助浸胶提供实施装置，大底维形工装内形面与防热结构的气动外形型面一致，型面精度优于防热结构的气动外形型面精度；维形工装底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，维形工装上部外轮廓设有翻边；
在将大底增强体放入其内部后，在大底维形工装的翻边上密封真空袋，维持真空袋内真空环境，打开其下方的注胶接口，使酚醛树脂溶液完全填充大底增强体内部孔隙，随后整体密封干燥；所述整体成型防热结构最大投影面积大于2m2；所述维形工装的内形面型面精度优于1mm r.m.s。
所述大底成型工装包括包括下模、中模、上模、观察窗、真空管路、注胶管路、托盘、起吊环、压紧板以及压紧框；
起吊环呈环形，与若干压紧板共同夹紧飞船大底增强体边缘；托盘内放置飞船大底增强体和起吊环的组合体；压紧框的边缘与起吊环连接，将飞船大底增强体压实在托盘上；下模底部中心通过注胶孔与注胶管路相连；中模沿环向均匀分为若干段，组合后呈环形，各段之间的安装面设置密封胶条；中模放置在下模上，与下模对接，两者的安装面之间设置密封胶条；托盘放置在下模和中模内；上模作为上盖，安装在中模上，上摸与中模之间的安装面之间设置密封胶条，上模与中模、下模共同形成封闭腔体；上模上沿周向设置若干观察窗、真空接口，真空接口与真空管路相连；
托盘的内表面与飞船大底增强体凸面的外轮廓一致，内表面的底部为球面、周向为圆柱面，球面和圆柱面间光滑过渡，飞船大底增强体置于托盘内后与托盘贴合；托盘底部球面上均匀开透胶孔；托盘边缘的法兰上开有与起吊环连接的螺纹孔、独立起吊螺纹孔，独立起吊螺纹孔用于吊装。
下模为凹模结构，内表面为球面；下模底部中心处设置储胶槽，储胶槽为一端封闭的圆筒，另一端与下模底部中心的开孔连接且平滑过渡，储胶槽的侧壁面上开有注胶孔，注胶孔周围焊接法兰，用于安装注胶管路；注胶槽内安装一处温度传感器；注胶管路带阀门，控制与注胶系统连接的通断。
还包括若干导向轮，下模底部的支撑结构上安装导向轮，用于工装的进出烘箱；中模沿周向等分为瓣，每瓣侧边开有密封槽，用于安装密封胶条；上模为凸模结构，下凸面的底部为球面，周向为圆柱面；上模外表面设置加强筋；上模的边缘沿周向均匀安装4处观察窗，观察窗对角布置；上模的边缘沿周向均匀安装4处带阀门的真空管路控制与真空系统连接的通断。
各压紧板均布于飞船大底增强体边缘上表面，螺栓透过飞船大底增强体将压紧板和起吊环连接；压紧框为网格状的框架结构，框架的下轮廓面与飞船大底增强体凹面的轮廓一致。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明实现了大尺寸返回式飞船防热大底整体成型，制备的防热大底结构，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0.56～0.64g/cm3。
(2)本发明使用大底支撑工装完成大底增强体的高温凝胶反应，提高了大底增强体刚性，为整个大底防热结构提供了刚性支撑，解决了大底增强体易变形、尺寸精度控制难度大问题。
(3)本发明使用大底维型工装辅助完成了防热大底刚性骨架结构成型，进一步提高了防热大底的力学性能，使得防热可以承担部分结构载荷。
(4)本发明使用大底成型工装辅助完成防热大底刚性骨架的反应物溶液浸润，可以使得反应物溶液充分填充刚性骨架内部的多孔结构，提高防热大底的成型质量。
附图说明
图1为球锥回转体防热大底结构图
图2为返回式飞船防热大底整体成型工艺流程
图3为本发明大底成型工装的结构示意图。
图4为本发明大底成型工装的正视图。
图5为本发明大底成型工装的俯视图。
图6为本发明大底成型工装的仰视图。
图7为本发明大底成型工装的剖视图。
图8为本发明大底成型工装去除上模的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
返回式飞船顶部大底为大尺寸、低密度的球锥回转体结构(见图1)。构型复杂、尺寸大、高精度一体化成型困难。
本发明解决了第二宇宙速度返回式飞船底部球锥回转体结构的防热大底整体成型难题。使用返回式飞船防热大底整体成型工艺方法成型的防热大底结构，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0.56～0.64g/cm3。可成型球锥回转体结构防热大底尺寸包含：半球体半径在SR1000mm～SR5000mm范围、总高度尺寸不大于1000mm、壁厚在20～100mm范围。
如图1所示，本发明的载体为返回式飞船的球锥回转体防热大底。
步骤1：根据防热大底结构尺寸进行坯件结构尺寸再设计；根据坯件结构尺寸制备大底增强体，大底增强体为三维结构纤维织物预制体结构(该预制体结构常采用三维针刺、三维编织技术等技术成型，但不限于以上两种技术)，其密度范围在0.2～0.9g/cm3之间；球锥回转体结构的半球体半径在SR1000mm～SR5000mm范围、总高度尺寸不大于1000mm、壁厚在20～100mm范围；酚醛树脂溶液中酚醛树脂的质量百分比为(50±10)％，剩余为乙醇。
步骤2：设计大底增强体的大底支撑工装、大底维形工装、大底成型工装，；
步骤3：完成步骤2设计工装的加工生产；
步骤4：完成步骤3所加工的大底维形工装的耐高温测试和气密性测试；完成步骤3所加工的工装的高温保压测试。大底维形工装要求能耐200℃以上高温，与大底增强体接触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；大底成型工装合模后保证耐温不低于200℃，抽真空后真空度不大于0.01MPa，保压12h以上；工装满足测试要求，方可进行下一步生产；
步骤5：将大底增强体放置在大底支撑工装上，对大底增强体的纤维表面进行树脂涂层处理；
步骤6：采用步骤5处理后的纤维在步骤3加工的大底支撑工装上完成大底纤维增强体的三维网络多孔结构整体成型；
步骤7：将步骤6所制备的增强体整体加热，使树脂涂层完成高温凝胶反应，保证大底增强体不发生变形；
步骤8：将步骤7处理后的增强体放置在大底维形工装上，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、导胶隔离材料；
步骤9：配置纤维增强酚醛树脂溶液，采用酚醛树脂与乙醇配置含胶量50％的酚醛溶液；
步骤10：将步骤8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9配置好的溶液通导入到增强体内；
步骤11：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12：将步骤8所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将大底增强体与大底维形工装分离。
步骤13：将大底增强体放入步骤3加工的大底成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，完成防热大底的刚性骨架结构成型。
步骤14：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15：将步骤13形成的的大底刚性骨架装入大底成型工装内，工装合模，并抽真空，保持一段时间(一般为10min)后，将步骤14配置好的反应物溶液导入成型工装内，静止2h，完成大底刚性骨架的完全浸润；
步骤16：将步骤15完成浸渍的大底刚性骨架、工装内导入的反应物溶液以及大底成型工装整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构。
步骤17：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18：将清理后的防热大底坯件放入清理后的大底成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理。干燥结束后，完成防热大底坯件成型。
步骤19：按照防热大底最终尺寸进行数控编程，采用大型车铣加工设备，完成防热大底外形尺寸加工。最终完成返回式飞船防热大底的整体成型。
由于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，以便保护航天器内部的设备、人员。随着深空探测工程的不断开展，航天器第二宇宙飞行速度返回再入热流环境对热防护系统表面烧蚀层结构强度、结构稳定性、大尺寸整体成型、结构轻量化、成型质量控制提出了更高要求，传统返回式航天器热防护材料不能满足其需要。
大尺寸曲面长纤维针刺结构热防热层是针对第二宇宙飞行速度返回再入热流环境下大型返回式飞船开发的热防材料，具有高结构强度、大尺寸整体成型、密度小、抗烧蚀能力强等优点，克服了传统返回式飞船热防护材料结构强度弱、不能整体成型、密度大、抗烧蚀能力低等不足。返回式飞船大底防热层11为底部球型、周向圆柱形结构，球形与圆柱形间光滑过渡，其直径超过4m，高度超过1m，是大型返回式飞船大底的热防护结构。该防热层在成型过程中需进行真空浸渍、固化、烘干等工序。
返回式飞船大底防热层成型工装是用于辅助大尺寸曲面长纤维针刺结构防热层成型的工装，具备真空浸渍、烘干、固化功能，能够实现大尺寸超厚曲面防热层的整体成型。现有的成型工装主要存在以下问题：
(1)常规成型工装成型防热层尺寸一般均小于1m，使用时多块拼接，达到热防护区域的整体覆盖，该方式不能适用于返回式飞船第二宇宙飞行速度返回再入热流环境对大底防热层整体成型的要求。
(2)返回式飞船大底防热层因材料强度低、受力易变形，常规的成型工装在对防热层转移、翻转，无法保证防热层各处受力均匀，材料局部因受力过大，产生变形。
(3)常规成型工装无防止防热层在树脂浸渍时漂浮的装置，纤维增强低密度热防护材料密度低，树脂浸渍时，材料受液体树脂浮力的作用，出现漂浮，进而引起材料变形。
(4)防热层受热不均匀，返回式飞船用防热层质量要求苛刻，以保证极端环境下的乘员安全，因此在固化、烘干等工序时，防热层各区域必须均匀受热，以保证防热层性能，常规浸渍工装无温度均匀性保证措施，不能达到温度均匀性要求。
(5)常规成型工装无法实时监控防热层在树脂内的浸渍情况，不便于对树脂浸渍结果进行判断。
(6)常规成型工装均采用树脂从工装顶部注入的树脂浸渍方式，易将空气阻滞在防热层内，形成缺陷。
(7)常规成型工装无脱模保证措施，返回式飞船大底防热层尺寸超过4m，高度超过1m，固化后要求整体成型的返回式飞船防热大底采用该结构形式将脱模困难，强行脱模会造成防热层损伤，甚至破坏。
(8)常规成型工装为规则内腔，呈曲面结构的返回式飞船大底防热层置于其中后，防热层与工装间空余大量间隙，树脂浸渍时，该间隙将被树脂填满，浪费大量树脂，提高了制造成本。
如图3～图8所示，本发明中的大底防热层成型工装，包括上模1、中模4、下模6、导向轮5、托盘10、起吊环9、观察窗2、温度传感器、注胶管路7、真空管路3、压紧框12、压紧板8。
沿高度方向，工装分为三层，上模1、中模4、下模6；中模4、下模6用于盛放飞船大底防热层11(即大底增强体)；中模4、下模6间的安装面处于其内托盘10高度方向的中间位置；上模1作为上盖，组装后，与中模4、下模6共同形成封闭腔体。
下模6位于工装底部，呈凹模结构，内壁距离飞船大底防热层11的距离为20mm；下模6内腔最低处开注胶孔，以便胶液从最底部逐渐浸没飞船大底防热层11；注胶孔通过焊接注胶法兰与注胶管路7通连接，连接方式为螺接；注胶管路7可拆卸，便于注胶管路7清洗；注胶管路7带阀门，可通断与注胶系统的连接；为增加注胶速度，下模6底部安装四路注胶管路7；下模6底部中心设置储胶槽，储胶槽的侧壁面上开有注胶孔，注胶孔与注胶管路7相连，树脂进入工装后，首先在储胶槽内汇聚，然后液面逐渐上升，避免胶液直接冲刷飞船大底防热层11；注胶槽内安装一处温度传感器；下模6底部沿周向均匀分布有支撑框架，支撑框架底部安装导向轮5，并放置于导轨上，使得工装可经导轨移动至烘箱内或烘箱外。
中模4周向等分为4段；每段侧边开密封槽，密封槽内安装密封胶条；4段组合成圆环状，内壁距离飞船大底防热层11的距离为20mm；段与段之间以螺栓固定，安装面设置密封胶条；中模4安装于下模6上，中模4、下模6间以螺栓连接，安装面安装密封胶条。
上模1为凸模结构，内壁距离飞船大底防热层11表面的距离为20mm；上模1外表面设置加强筋，以增加上模1的结构强度；上模1安装4处观察窗2，通过观察窗2可实时观察常温真空浸渍时装置内情况；观察窗2对角布置，确保最大观察范围；上模1安装4处真空管路3，带阀门，可通断与真空系统的连接；上模1上安装一处温度传感器。
起吊环9呈环形，尺寸与飞船大底防热层11环形翻边一致；为减轻重量起吊环9上挖减轻槽；设置起吊接口、压紧板安装接口、压紧框12安装接口；起吊环9安装于返回式飞船大底防热层11上，压紧板8处，均布于飞船大底防热层11边缘上表面，以螺栓透过飞船大底防热层11将压紧板8和起吊环9连接，使起吊环9与压紧板8夹紧飞船大底防热层11边缘，通过起吊环9的固定支撑，维持飞船大底防热层11形状，以便移动和翻转。
托盘10内表面形状与飞船大底防热层11外轮廓一致，为底部球面、周向圆柱面，球面和圆柱面间光滑过渡，飞船大底防热层11置于其中后与托盘10贴合；托盘10为网状结构，便于胶液流动；托盘10法兰上开与起吊环9连接螺纹孔。
该工装的使用过程如下：
(1)将下模6与导向轮5组装到位，放置于烘箱外导轨上，下模6与中模4安装面安装密封胶条；中模4各分段端部安装密封胶条；将中模4各分段吊装至下模6安装面上，一段中模4与下模6以螺栓紧固；依次将中模4分别与固定的中模4及下模6连接，直至中模4组装成环状，并与下模6固定；中模4上表面安装密封胶条后，安装上模1，以螺栓固定。
(2)关闭注胶管路7开关，真空管路3连接真空泵，将腔体内真空度降至0.01MPa，关闭真空管路3开关，将工装转移至烘箱内加热，高温200℃保压12h，真空度不高于0.01MPa，合格后拆除上模1，将工装移出烘箱。
(3)将起吊环9安装至返回式飞船大底防热层11上，起吊环9与飞船大底防热层11翻边对齐，两者的安装孔对正，以螺钉连接压紧板8与起吊环9，使得飞船大底防热层11基体材料固定在起吊环9上，通过起吊环9上的起吊接口，起吊起吊环9和飞船大底防热层11至托盘10内，以螺钉将起吊环9与锥形托盘10固定。将压紧框12与起吊环9连接，将飞船大底防热层11压实在托盘10上；
(4)通过托盘10上的起吊接口将托盘10起吊至组装的中模4、下模6内，以螺钉固定托盘10，安装上模1。
(5)关闭注胶管路7开关，将注胶管路7与配胶设备连接，真空管路3与真空泵连接，启动真空泵抽真空，将腔体内真空度降至0.01MPa后，打开注胶管路7开关，将树脂缓慢抽入工装内，过程中保持工装内真空度不高于0.01MPa，通过观察窗2，观察树脂对飞船大底防热层11基体材料的浸没情况，直至树脂完全浸没飞船大底防热层11基体材料，并且树脂液面高于飞船大底防热层11基体材料30mm后，关闭注胶管路7开关及真空管路3开关，并断开与真空泵和配胶设备的连接。
(6)工装移至烘箱内，将温度传感器与测温系统连接，开启烘箱，将工装内树脂温度加热至180℃，并保温，树脂固化后降至常温。
(7)工装移出烘箱，打开真空管路3开关，使得工装内真空压力降至常压，拆除上模1与中模4的连接螺栓，起吊并移走上模1，清理托盘10四周至中模4壁板区域内的固体树脂，拆除各中模4之间、中模4与下模6之间的连接螺栓，起吊并移走中模4，清理再次暴露的多余树脂，起吊托盘10。
(8)清理上模1、中模4、下模6上粘连的树脂废料，重新依次组装下模6、中模4，将托盘10、起吊环9、飞船大底防热层11组合放入下模6和中模4内，安装上模1。
(9)工装再次移至烘箱内，将温度传感器与测温系统、真空管路3与废气废液回收装置连接，关闭注胶管路7开关，开启烘箱及废气废液回收装置，保持工装内真空度0.01MPa，将工装内空气温度加热至80℃，并保温，直至工装内无挥发气体排出，关闭烘箱及废气废液回收装置，断开工装与测温系统、废气废液回收装置的连接。
(10)工装移出烘箱，拆除上模1与中模4的连接螺栓，起吊并移走上模1，拆除中模4与下模6的连接螺栓，起吊并移走中模4，起吊托盘10，将飞船大底防热层11与托盘10分离，完成制备过程。
本发明中提出的大底成型工装具备如下优点：
(a)本发明大底成型工装能直接成型返回式飞船大底全尺寸防热层，该放热层为整体结构，避免了因返回式飞船表面防热层分块拼接造成的材料整体热防护性能下降。
(b)本发明大底成型工装解决了返回式飞船大底防热层因材料强度低、受力易变形造成的转移、翻转等难题，通过将防热层与起吊环固定，使得材料边缘均匀受力，转移、翻转时直接操作起吊环，避免了材料局部受力过大，产生变形，同时起吊环为金属结构强度高，可对该材料起到支撑作用，维持材料固有形状。
(c)本发明大底成型工装设计了防止防热层在树脂浸渍时漂浮的装置，纤维增强低密度热防护材料密度低，树脂浸渍时，材料受液体树脂浮力的作用，出现漂浮，进而引起材料变形，压紧框位于材料上表面，与起吊环、托盘相连，曲面形状与材料相同，将材料压实在托盘表面，防止材料受浮力漂浮变形。
(d)本发明大底成型工装解决了返回式飞船大尺寸防热层烘干、固化时加热温度均匀性难题，上模为凸模结构，下模为凹模结构，防热层位于内腔，距离工装与热风接触面等间距，工装于烘箱内受热时，材料表面同时受热，防热层受热均匀。
(e)本发明大底成型工装设计了注胶时观察树脂液面位置的装置，利用观察窗口实时观察注入的树脂液面与材料的相对位置，确保树脂完全浸没材料。
(f)本发明大底成型工装提高了树脂浸渍质量，注胶口位于工装底部，注射树脂时，树脂从工装底部进入，液面逐渐升高，自下而上逐渐浸没防热层，将材料孔隙内的空气逐步赶出，减少材料因空气未充分排除产生的缺陷。
(g)本发明大底成型工装解决了返回式飞船大底防热层脱膜难得难题，固化后，树脂由液体变为固态，托盘连同防热层固化后树脂固定在工装内，无法直接脱膜，工装设计为上模、中模、下模三段式结构，中模周向分为四段，树脂固化后，首先将上模分离，然后将四段中模分别脱离，最后将托盘从下模上分离，采用分段式脱膜方式，降低了脱膜难度，避免了防热层损伤。
(h)本发明大底成型工装通过合理设计工装内腔结构，减少了防热层与工装壁之间的间隙，降低了树脂使用量，从而降低制造成本。
实施例1：
在研制图1所示的防热大底时，首先对防热大底尺寸进行了工艺再设计，壁厚内外表面各增加了5mm。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。然后在大底增强体工装上采用三维针刺方法完成防热大底的三维网络多孔结构整体成型。将整体成型的防热大底增强体进行加热，80℃，保温48h，形成防热大底的刚性体。然后将防热大底增强体与大底维形工装合模，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大底增强体内，并完成溶剂干燥。将防热大底放入大底成型工装内，进行酚醛树脂溶液—凝胶反应。将酚醛树脂、催化剂、偶联剂按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大底成型工装内，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大底坯件。再进行数控编程，在大型车铣加工设备上完成防热大底外形尺寸加工。最终完成低密度、球锥回转体结构的防热大底整体成型。所成型的防热大底密度为0.60g/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大底整体成型工艺方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据防热大底结构尺寸确定坯件结构尺寸；返回式飞船的防热大底为球锥回转体结构；
(2)根据坯件结构尺寸制备大底增强体；
(3)确定大底增强体的大底支撑工装、大底维形工装、大底成型工装；
(4)将大底增强体放置在大底支撑工装上，对大底增强体表面进行树脂涂层处理；
(5)整体加热，使树脂涂层完成高温凝胶反应，保证大底增强体不发生变形；
(6)将步骤(5)处理后的大底增强体放置在大底维形工装上，大底增强体外表面与工装内腔贴合，且大底增强体外表面与工装内腔之间放置导气隔离材料，大底增强体内表面封真空袋、导胶隔离材料；
(7)配制酚醛树脂溶液；
(8)将步骤(6)封好的大底维形工装及真空袋，接通真空软管、真空泵设备，采用真空辅助浸胶工艺方法，将步骤(7)配置好的酚醛树脂溶液导入到大底增强体内部，维持真空泵工作，大底增强体持续加热，完成溶剂干燥；
(9)将真空袋、导胶隔离材料、真空软管、真空泵设备拆除，将大底增强体与大底维形工装分离；
(10)将大底增强体放入大底成型工装内，加热进行溶液-凝胶反应，令内部酚醛树脂固化，完成大底的刚性骨架结构成型；
(11)配制反应物溶液；
(12)针对大底成型工装内的刚性骨架结构，工装合模，并抽真空，保持10min后，将反应物溶液导入大底成型工装内，静止2h，完成刚性骨架结构的浸润；
(13)将完成浸润的刚性骨架结构、大底成型工装内导入的反应物溶液整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；
(14)将刚性骨架结构进行表面清理，露出纤维层，同时，将大底成型工装内清理干净；
(15)将清理后的刚性骨架结构放入清理后的大底成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，干燥结束后，完成防热大底成型；
(16)采用车铣加工设备，完成防热大底外形尺寸加工，最终完成返回式飞船防热大底的整体成型。
2.根据权利要求1所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：大底增强体为三维结构纤维织物预制体结构，其密度范围在0.2～0.9g/cm3之间；球锥回转体结构的半球体半径在SR1000mm～SR5000mm范围、总高度尺寸不大于1000mm、壁厚在20～100mm范围；酚醛树脂溶液中酚醛树脂的质量百分比为50±10％，剩余为乙醇。
3.根据权利要求1所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：所述反应物溶液具体为：将间苯二酚、糠醛以及氢氧化钠按摩尔比1:0.02:2.5溶于乙醇中，使用搅拌器搅拌1h，形成浓度为30～50％的反应物溶液。
4.根据权利要求1所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：所述步骤(4)对大底增强体表面进行树脂涂层处理具体为：采用的热固性树脂的质量为大底增强体质量的1％～3％。
5.根据权利要求1所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：所述大底支撑工装用于大底增强体树脂涂层处理过程中的支撑；大底支撑工装内形面与防热大底的气动外形型面一致，上部设置有翻边，内型面均布加工圆形通孔，翻边下方放置支撑柱停放于地面。
6.根据权利要求1所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：所述大底维形工装用于为大底增强体真空辅助浸胶提供实施装置，大底维形工装内形面与防热大底的气动外形型面一致，型面精度优于防热大底的气动外形型面精度；大底维形工装底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，大底维形工装上部外轮廓设有翻边；
在将大底增强体放入其内部后，在大底维形工装的翻边上密封真空袋，维持真空袋内真空环境，打开其下方的注胶接口，使酚醛树脂溶液完全填充大底增强体内部孔隙，随后整体密封干燥；所述整体成型防热大底最大投影面积大于2m2；所述大底维形工装的内形面型面精度的均方根小于1mm。
7.根据权利要求1所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：所述大底成型工装包括下模(6)、中模(4)、上模(1)、观察窗(2)、真空管路(3)、注胶管路(7)、托盘(10)、起吊环(9)、压紧板(8)以及压紧框(12)；
起吊环(9)呈环形，与若干压紧板(8)共同夹紧大底增强体边缘；托盘(10)内放置大底增强体和起吊环(9)的组合体；压紧框(12)的边缘与起吊环(9)连接，将大底增强体压实在托盘(10)上；下模(6)底部中心通过注胶孔与注胶管路(7)相连；中模(4)沿环向均匀分为若干段，组合后呈环形，各段之间的安装面设置密封胶条；中模(4)放置在下模(6)上，与下模(6)对接，两者的安装面之间设置密封胶条；托盘(10)放置在下模(6)和中模(4)内；上模(1)作为上盖，安装在中模(4)上，上摸(1)与中模(4)之间的安装面之间设置密封胶条，上模(1)与中模(4)、下模(6)共同形成封闭腔体；上模(1)上沿周向设置若干观察窗(2)、真空接口，真空接口与真空管路(3)相连；
托盘(10)的内表面与大底增强体凸面的外轮廓一致，内表面的底部为球面、周向为圆柱面，球面和圆柱面间光滑过渡，大底增强体置于托盘(10)内后与托盘(10)贴合；托盘(10)底部球面上均匀开透胶孔；托盘(10)边缘的法兰上开有与起吊环(9)连接的螺纹孔、独立起吊螺纹孔，独立起吊螺纹孔用于吊装。
8.根据权利要求7所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：下模(6)为凹模结构，内表面为球面；下模(6)底部中心处设置储胶槽，储胶槽为一端封闭的圆筒，另一端与下模(6)底部中心的开孔连接且平滑过渡，储胶槽的侧壁面上开有注胶孔，注胶孔周围焊接法兰，用于安装注胶管路(7)；注胶管路(7)带阀门，控制与注胶系统连接的通断。
9.根据权利要求7所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：大底成型工装还包括若干导向轮(5)，下模(6)底部的支撑结构上安装导向轮(5)，用于大底成型工装的进出烘箱；中模(4)沿周向等分为4瓣，每瓣侧边开有密封槽，用于安装密封胶条；上模(1)为凸模结构，下凸面的底部为球面，周向为圆柱面；上模(1)外表面设置加强筋；上模(1)的边缘沿周向均匀安装4处观察窗(2)，观察窗(2)对角布置；上模(1)的边缘沿周向均匀安装4处带阀门的真空管路(3)控制与真空系统连接的通断。
10.根据权利要求9所述的一种返回式飞船防热大底整体成型工艺方法，其特征在于：各压紧板(8)均布于大底增强体边缘上表面，螺栓透过大底增强体将压紧板(8)和起吊环(9)连接；压紧框(12)为网格状的框架结构，框架的下轮廓面与大底增强体凹面的轮廓一致。
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