长征7号火箭发射台用耐高温涂层的研制

张 巍, 马 磊, 王晓东, 张 涛

(中国科学院大连化学物理研究所 航天催化与新材料研究室, 辽宁大连 116023)

0 引言

随着航天事业的发展，不仅飞行器本身需要进行高温防护[1-2]，地面设施的火箭发射台也增加了高温防护。当火箭发射时，尾焰燃气流温度将高达2 200 ℃以上，在此温度下，作为火箭发射台的钢结构的力学性能将下降。因此，必须采取适当的隔热措施，保证钢结构在高温条件下仍具有足够的强度和刚度，同时确保设备间内的仪器设备正常工作，提高火箭发射台工作的可靠性。随着我国航天事业的发展，新一代中型运载火箭长征七号火箭研制成功，其运载能力较现用火箭大幅度提升。由于发动机的总流量和燃烧温度明显提高，因此，对火箭发射台用耐高温涂层的要求也更加苛刻[3-4]。

在国外，欧洲航天局的阿里安火箭发射台采用混凝土打造，虽然其抗燃气吹扫烧蚀性能比在钢结构的表面上涂覆有机烧蚀涂料好，但材料的厚度厚，重量重，且发射台无法进行移动。在国内，以有机硅树脂、酚醛树脂、环氧树脂等有机材料制备的耐烧蚀涂料或者水玻璃等无机材料制备的耐高温涂料[5-6]，虽然耐烧蚀性或耐高温性较好，但施工条件要求较高，或需要高温固化，或需要防水处理，因此均未在火箭发射台领域得到广泛应用。

文中研制了一种用于火箭发射台的耐高温涂层材料。文中首先分析了作为火箭发射台用耐高温涂层应具有的特性,并以双层涂层结构制备出耐高温涂层。表层采用不定形耐火材料作为涂层,这类材料具有工艺简单、节约能源、无毒等特点[7-9]。最后,对耐高温涂层材料的综合性能进行了测试。

1 火箭发射台用耐高温涂层的基本要求分析

作为长征7号火箭发射台用耐高温涂层,材料应具有以下特性:涂层与火箭发射台的钢结构表面应具有良好的粘结性;涂层具有足够的耐压强度和抗冲刷性能;导热系数小;与基材钢结构的热膨胀系数匹配;良好的隔热性能;良好的抗热震性能。另外,由于长征7号火箭发射台位于沿海火箭发射基地,因此涂层还要求适应高湿、高紫外线照射和盐雾腐蚀等特殊的自然环境。

2 试验

2.1 方案

用于火箭发射台的耐高温涂层采用双层结构,选用的原材料及含量见表1。

表1 耐高温涂层的组成 %

2.2 试样制备

金属钢板的表面处理:采用80目水砂纸对钢板表面进行打磨,处理表面的漆和锈,达到st3级。

底层涂料配制:各组分按比例混合,待搅拌均匀后,分别涂覆在Φ20 mm的圆柱形钢柱表面(用于测试底层材料的附着力)以及除锈、除漆后的190 mm×120 mm×5 mm的钢板上(待涂覆表层材料后,用于测试耐高温涂层材料的耐烧蚀及隔热性能、耐盐雾性能、老化性能)。

表层涂料配制:各组分按比例混合后,加入水搅拌3 min,然后制备成160 mm×40 mm×40 mm的试样。测试试样养护一天后的体积密度、常温抗折强度和耐压强度。试样经110 ℃烘于1 300 ℃保温3 h煅烧,测试试样的体积密度、常温抗折强度和耐压强度。制备Φ20 mm×100 mm的试样,用于测试材料的热膨胀系数。制备Φ180 mm×25 mm的试样,用于测试材料的导热系数。在涂覆完底层的190 mm×120 mm×5 mm的钢板上涂覆表层涂料,制备总厚度为20 mm的样板,用于测试材料的耐盐雾性能、老化性能、缩比试验发动机隔热性能及耐烧蚀性能。

2.3 性能测试

2.3.1 底层附着力

附着力测试参照GB/T 5210—2006进行。

2.3.2 耐高温性能

体积密度测试参照YB/T 5200—1993进行;常温抗折强度测试参照GB/T 3001—2007进行;常温耐压强度测试参照GB/T 5072—2008进行;导热系数测试参照YB/T 4130—2005进行;热膨胀系数测试参照GB/T 7320—2008进行;耐火度测试参照GB/T 7322 —2007进行。

2.3.3 耐高温涂层性能

耐盐雾性能测试参照GB/T 1771—2007进行;老化性能测试参照GB/T 14522—2008进行;缩比试验发动机耐烧蚀及隔热性能测试,采用缩比发动机对耐高温涂层进行试验件背面温度和材料表面耐烧蚀性能的测试。试验条件:发动机燃料为氧气、煤油;发动机燃烧室压力：Pc=1.4±0.05 MPa;喷管出口燃气温度：2 210 K;喷管出口燃气速度为2 390 m/s;燃烧室温度为3 470 K;烧蚀试验时间为：10 s/件。

3 结果与讨论

3.1 涂层底层力学性能

耐高温涂层底层采用环氧树脂为基体材料,环氧树脂具有优良的粘结性能,但其脆性较大,不适合用于振动较大的环境。对此,在耐高温涂层底层中引入助剂,改善了底层脆性大的问题,但随着助剂的引入,又降低了底层的附着力。为了提高底层的韧性,同时又不降低附着力,通过筛选填料,最终确定选用了一种具有良好性能的填料A。确定成分配比的耐高温涂层底层的附着力测试结果见表2。从表中数据可知,耐高温涂层材料底层的附着力达到18.87 MPa,说明涂层与金属基体具有良好的结合强度。

表2 耐高温涂层底层的力学性能

3.2 涂层表层物理性能

耐高温涂层表层的物理性能见表3。从表3中可以看出,表层材料具有较高的耐火度;养护一天后的常温耐压强度达到48.7 MPa,满足火箭发射台平日工作的需求;导热系数为0.692 W/(m·K),小于不定形耐火材料中普通致密浇注料的导热系数0.8～1.5 W/(m·K),宏观上表现为材料具有良好强度的同时具备较好的隔热性能;热膨胀系数在200 ℃时为8.73×1-6℃-1,与钢铁的热膨胀系数相匹配。为了提高表层材料的抗热震性能,引入了热膨胀系数较小的堇青石材料,文献[10-12]的研究表明,由其构成的复合材料的抗热震性能明显提高。当含有堇青石的表层材料由环境温度瞬间接触到火箭尾焰的高温时,由于其具有良好的抗热震性能,宏观上表现为材料表面无裂纹,无脱落。

表3 耐高温涂层表层的物理性能

3.3 耐高温涂层耐盐雾性能和老化性能

目前,我国火箭发射基地正在向运输和发射更为便捷的沿海区域发展,而沿海区域的高湿、高紫外线照射和盐雾腐蚀等特殊的自然环境对发射台用耐高温涂层也提出了更高的要求。对此,对研制的耐高温涂层的耐盐雾性能和老化性能也进行了测试,结果见表4。由表4中的结果可知,热防护涂层满足使用要求。

表4 耐高温涂层的耐盐雾性能和老化性能

3.4 缩比试验发动机隔热性能及耐烧蚀性能

利用缩比试验发动机的模拟燃气流烧蚀耐高温涂层，研究涂层的隔热性能和耐烧蚀性能。试样为金属钢板一侧涂有耐高温涂层,不带有涂层的金属面为背面。试验条件为模拟火箭发射时的尾焰吹扫情况,火焰吹扫涂有耐高温涂层一侧的金属钢板,测试不涂覆耐高温涂层一侧金属的温度(背面温度)。缩比发动机热流测试模型安装示意图如图1所示,热流密度见表5,各点对应的压力见表6。涂层的背面温度如图2所示。

表5 热流密度

从图2中可以看出,当试样经过缩比发动机模拟火箭尾焰烧蚀10 s后,涂层的背面温度在刚开始的20 s内以较快的速度从室温升高至65 ℃左右,然后从20～60 s内在该温度基本保持稳定。而后从60 s开始,涂层的背面温度又缓慢升温。上述试验结果表明,在以上测试条件下,在120 s以内,5 mm厚的钢板在20 mm厚的耐高温涂层保护下,其背面温度不超过80 ℃,说明该涂层具有良好的隔热性能,较低的背面温度可以有效确保火箭发射台设备间内的仪器设备正常工作。

在耐烧蚀性方面,表7示出了耐高温涂层经缩比发动机模拟火箭尾焰烧蚀后的结果。由表7可知,耐高温涂层线烧蚀率的平均值为0.277 mm/s。可见,该涂层的耐烧蚀性良好,当涂层厚度为20 mm时,可满足火箭多次发射的需求。

4 应用

根据上述试验结果,将研制的火箭发射台用耐高温涂层在海南文昌卫星发射基地的长征7号火箭发射台上进行了实际使用。结果表明:2016年6月25日长征7号火箭发射后,涂覆的耐高温涂层能够承受实际燃气流冲刷，涂层仅有极小面积被吹扫掉,脱落面积不超过总涂覆面积的5%。发射台钢结构背面温度小于100 ℃,满足使用要求。因此,该耐高温涂层可以在长征7号火箭发射台上使用，使用后能够使火箭发射台减少热烧蚀和热冲击，确保火箭发射台工作的可靠性，为长征7号火箭首飞的成功奠定了坚实的基础。

5 结论

1)火箭发射台用耐高温涂层应具有导热系数小,与基材钢结构的热膨胀系数匹配,耐压强度和抗冲刷性能好,隔热性能好,抗热震性能好,与火箭发射台的钢结构表面应具有良好的粘结性,以及能够适应高温、高湿、高盐雾、高紫外线照射的特殊自然环境等特性。

2)文中所研制的火箭发射台用耐高温涂层具有良好的性能。其底层附着力达18.87 MPa,表层耐火度为1 660 ℃,养护一天后的常温耐压强度达到48.7 MPa,导热系数为0.692 W/(m·K),热膨胀系数在200 ℃时为8.73×10-6℃-1,与钢铁的热膨胀系数相匹配。耐高温护涂层具有良好的耐盐雾性能和老化性能,氧气-煤油缩比试验发动机烧蚀的线烧蚀率为0.277 mm/s。隔热性能测试结果表明,当缩比试验发动机模拟火箭尾焰的燃气流最大热流密度为5.4 MW/m2,烧蚀时间为10 s时,5 mm厚的钢板在20 mm厚的耐高温护涂层保护下,其背面温度不超过80 ℃。

3)经过长征7号火箭发射台上的实际使用表明,涂层能够承受燃气流冲刷,仅有极小面积被吹扫掉,脱落的涂层面积不超过总涂覆面积的5%。发射台钢结构背面温度小于100 ℃,满足使用要求。研制的耐高温涂层起到了使火箭发射台减少热烧蚀和热冲击的作用,确保了火箭发射台工作的可靠性,为长征7号火箭首飞的成功奠定了坚实的基础。

6 致谢

北京航天长征飞行器研究所的有关人员对文中的试验提供了相关的帮助和支持,并进行了有益的探讨,在此表示感谢。

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