近空间飞艇蒙皮复合材料研究进展

费 川，王梓桥，周秀燕，王 非

(1. 海军驻哈尔滨地区舰船配套代表室，哈尔滨 150036)(2. 哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

近空间飞艇蒙皮复合材料研究进展

费 川1，王梓桥2，周秀燕2，王 非2

(1. 海军驻哈尔滨地区舰船配套代表室，哈尔滨 150036)(2. 哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

近空间飞艇对于情报收集、通讯保障、侦查监视以及空间探测等领域应用潜力巨大。近年来日益受到人们的关注。蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料，是发展近空间飞艇的关键因素之一，其性能高低直接影响飞艇的类型、成本及寿命。本文对近年来国内及国外临近空间飞艇蒙皮材料的强度、阻隔性、耐候性和评价手段等方面的研究进行总结，最后提出我国关于飞艇蒙皮材料研究需要考虑的问题。

复合材料；飞艇蒙皮；近空间

1 引 言

平流层飞艇是指飞行于大气平流层的飞艇，工作高度一般为18～24 k m左右，主要依靠静升力驻空工作。由于平流层飞艇在军事侦察、空间预警、 通信中继和空间探测等领域的应用优势，近些年来日益受到人们的关注。 蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料，其性能的高低直接影响飞艇的应用效能，如浮空高度、持续飞行时间、有效载荷、服役寿命等。

由于飞艇长期工作的地点在平流层这种特殊的环境中，昼夜温差非常大，大气空气稀薄，密度约为0.088 9 kg/m3，仅为地面的1/14，其蒙皮材料必须满足轻质高强、耐候(高低温、湿度、紫外线辐射臭氧等)以及低的面密度和氦气渗透率。目前各国对飞艇的研究均处于研究阶段，现在没有通用的标准要求，日本研究机构曾提出其中蒙皮材料的面密度<380 g/m2，抗撕裂强度>300 N/cm，氦气渗透率<1 L/(m2·24h·0.1 MPa)，才有工程应用。

2 蒙皮材料研究进展

截止目前为止，尚没有一种材料能够满足上述材料性能，飞艇的蒙皮材料属于典型的复合材料，飞艇一般由承重层，阻氦层，耐候层，粘结层，焊接层组成[1]，如图1所示。

图1 蒙皮材料结构图

2.1 承重层

承重层几乎承受囊体的全部强度，是囊体材料的核心层，主要承受飞艇内压并确保蒙皮的强度，由纤维织物构成。作为基质的纤维织物结构形式一般为低支数低密度平纹布：从发展早期的聚对苯二甲酸乙二醇纤维(牌号Dacron)，尼龙，高强聚乙烯纤维(牌号Dyneema)，到芳纶(牌号Kevlar1414)及聚芳酯(牌号Vectran)、聚对苯撑苯并双噁唑纤维(PBO)等纤维复合材料。

日本航空宇宙研究机构等分别采用了芳香族聚酯纤维、芳纶纤维和聚对苯撑苯并二恶唑纤维等织物作为承重层进行了高强纤维基质飞艇蒙皮材料的研究，发现PBO基蒙皮材料在所测试的材料中性能最优，强度最高，在不同环境温度下有优异的力学性能，能够满足飞艇蒙皮的基本要求[2]。

我国最早在90年代初期，北京航空材料研究所[3]研制的Dacron(涤纶)基体承力层在我国第一艘充氦气载人飞艇FK-4上得到应用。

北京空间机电研究所曹旭等[4]采用自制的PBO平纹织物作为承重层，厚度为200 μm，幅宽为50 cm，面密度达到86.45 g/m2，经向抗拉强度大于1 000 N/cm，各项指标均达到承重层要求。

东华大学王琳等[5]采用国产高强低密的涤纶平纹织物和国产树脂，经测试所研制的材料不仅满足飞艇蒙皮材料基本要求，而且略高于国外Dacron基质蒙皮材料。

国防科技大学刘卓峰等[6]采用国产芳纶平纹布作为基质承力层，发现断裂强度达到1 790 N/cm，膜/布抗剥离强度>5.5 N/cm等，各项指标也满足飞艇蒙皮的基本要求。近年来中国航天科工六院46所由于F-12纤维的研发成功，也在积极探索在飞艇承重层方面的应用。

2015年8月我国商用平流层飞艇-旅行者号在新西兰试飞，其飞艇用蒙皮材料由中国航天科工六院46所设计制造,同年10月北京航空航天大学等研制临近空间平台“圆梦号”，上海交通大学也曾进行了飞艇放飞实验的相关研究。

总之，巧用乘法分配律与结合律解释小数乘法的意义，有助于学生对小数乘法的习得过程更为灵活、高效，同时可避免传统课堂中对于小数乘法知识内容的死记硬背式的学习.

高空飞艇(HAA)是美国军方重点支持的发展项目,主要用于验证飞艇平台。HAA一直致力于研究高强度重量比的蒙皮材料，研究的突破点正是开发高强度的织物纤维。2008年7月确定利用现有技术制作一个长度为73.15 m，最大直径为21.34 m的试验样机，驻空时间半个月以上,有效载荷为22.7 kg， 并于2009年夏天进行试飞。样机的蒙皮材料为聚酯基柔性复合材料。

2.2 阻氦层

由于现代飞艇基本都使用氦气作为浮升气体，要使飞艇长时间驻留在空中,作为蒙皮必须具备阻氦性能。Tedlar、聚氨酯等材料都具有一定的阻隔性能[7]，其中Tedlar膜具有一定的抗渗透率和抗霉菌性，其外气囊膜渗透氦气约为0.2 L/m2·d·A～1.14 L/m2·d·A。目前为止，性能最好的氦气阻隔膜是日本可乐丽公司生产的EVAL(聚乙烯和聚乙烯醇的共聚物)商用薄膜。

国内李斌太等[8]采用PET(聚对苯二甲酸二甲酯)薄膜作为阻隔层，并对其进行改性,为了充分利用铝的阻隔性能，又避免其缺点，对PET薄膜进行金属化改性，通过磁控溅射工艺制备出金属化试样，如表1所示。

表1 金属化后PET薄膜氦气阻隔性能变化

经过镀铝后PET薄膜氦气透过量明显减少，证明金属化PET薄膜对氦气有良好的阻隔性能。

2.3 耐候层

聚偏二氟乙烯和聚氟乙烯膜具有良好的耐弯折、耐磨损和自清洁的特性，是良好的耐侯层材料。其中聚氟乙烯涂层膜材料具有材料轻、强度高、气密性优、抗形变等显著的优点，杜邦公司生产的聚氟乙烯膜使用的最为广泛[9]。美国海军Sentinel1000飞艇采用聚氟乙烯聚酯布复合层，具有较好的耐候性，同时具有一定的雷达隐身性能。此外，由于热塑性聚氨酯具有优良的抗拉伸、耐高低温、抗撕裂和抗老化性能，也广泛的应用于防护材料中。

2.4 粘接层

粘结层是将承力层、阻氦层和耐候层三层粘结在一起的媒介，因此是蒙皮材料中一项重要的组成部分，需要一定的耐脱层性和耐候性，同时在多次屈挠后扔能保持原来的状态，不发生脱层现象[10]。

粘结剂不仅可以用于层与层之间的粘合，也可以用于膜片的焊合缝。常用的粘合剂有以下三种：聚酯类、聚醚类和聚氨酯类，三类粘合剂有着各自的优缺点，依据各层材料的特点选择合适的粘合剂。但总体来说聚氨酯粘合剂在蒙皮材料上应用较多。其分子链中含有氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)或异氰酸酯基(-NCO)，粘结性较高，可以粘结多种不同材料，可以在极低的温度下保持较高的玻璃化强度，粘结后的粘结层耐冲击性好、坚韧、绕曲性好，耐油和耐磨性好。

杜邦公司生产应用于飞艇囊体材料上的新型聚酯型热塑性弹性体，其黏合强度可以达到0.069 MPa以上，性能优异[11]。

冯铭竹[12]等人采用国产的双组份聚氨酯粘合剂开发制备平流层飞艇蒙皮材料，并研究了粘合剂的配方、初固化温度和熟化条件等对蒙皮材料综合性能的影响，并进行调控，最终制得了具有优异的机械强度和耐候性能的蒙皮材料。

2.5 蒙皮拼接技术

蒙皮各个功能层一般采用热压层合工艺，经过制备完成的膜片需要拼接成飞艇蒙皮，蒙皮外囊片的连接形式一般分为平接、搭接、错接三种，大型飞艇大多采用对接法，并在局部处采用错接。

对接法需采用专门的对接胶带，进行高频熔接，间隙控制在1 mm，外对接胶带宽度为60～80 mm之间，内对接带宽度40～50 mm。也有采用缝合方法，然后采用针眼密封处理。

中国航天科工集团第六研究院四十六研究所邓云飞等[13]对浮空器蒙皮材料采用高频焊接机对接焊接蒙皮片层，得出纤维线密度与焊接带焊接性能成正比关系，织物面密度越小，织物结构越稀松，焊接带剥离性能越好，缎纹结构焊接带焊接剥离性能普遍偏低。

上海交通大学高海建等[14]对三种气囊膜材进行分析发现，3216L膜材采用对接焊缝时，发现试件都是在焊缝处破坏，原因可能是由于高温导致材料性能改变以及对接缝处应力集中，在实际工程中可以采用双面焊等措施解决。

3 研究意义

蒙皮材料的选择和研制及其复合工艺等对最终的飞行器性能都起着至关重要的影响[15]。而我国在这一方面与国外相比还有一定的差距，自主研发的蒙皮材料较少，主要依赖于进口复合好的材料或者将进口的阻气膜和防老化膜与国产布基材料进行复合，这不利于进行多功能、多用途飞艇的研究，同时成本较高，限制了我国飞艇的进一步发展。因此，研发性能优异的蒙皮材料和特种材料，不断改性形成工艺，已成为当今亟待解决的问题。

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Research Status of Near Space Airship Envelop Materials

FEI Chuan1，WANG Ziqiao2，ZHOU Xiuyan2，WANG Fei2

(1.Deputy of Chinese Army in Harbin, Harbin 150036)(2.Harbin FRP Institute,Harbin,150036)

Near space airship has huge potential for information gathering, communication, globle spying and space exploration that has gained increasing attention in recent years .Envelop materials as main structure materials is the key factor for development of near space ship. Envelop material directly influence the spaceship type, cost and service life. This paper summarizes the research on the strength, barrier, weatherability and evaluation methods of airship skin materials in recent years. At last, some problems in the research of airship envelop materials are put forward.

composite material; space airship envelop; near space

2016-09-07)

费川(1983-)男，吉林人，硕士。研究方向：复合材料工艺及装备综合保障。E-mail：150017986@qq.com.