推進(jìn)器支架是由空中客車防務(wù)及航天公司開發(fā)的火箭結(jié)構(gòu)部件，通常位于一級(jí)火箭和二級(jí)火箭之間。推進(jìn)器支架在耐熱性和機(jī)械結(jié)構(gòu)特性方面要求很高，目前主要由金屬材料制成，但空客正在評(píng)估將金屬制品推進(jìn)器支架轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料制品的可行性。

幾乎每一個(gè)用于近地軌道或更外層軌道的載人或載貨航天運(yùn)載火箭，都包含至少兩級(jí)火箭。位于最底層，同時(shí)也是最大的模塊即推進(jìn)器，為火箭的發(fā)射提供初始動(dòng)力，幫助火箭及載荷離開發(fā)射臺(tái)，并穿過(guò)空氣阻力最大的低空大氣層。當(dāng)火箭進(jìn)入高空大氣層時(shí)，下級(jí)火箭燃料消耗殆盡，脫離運(yùn)載火箭并落回地球。

緊接著，二級(jí)運(yùn)載火箭被點(diǎn)燃，為航天器剩下的旅程提供動(dòng)力支持。如果需要更高載重，更長(zhǎng)航行距離及時(shí)間，也可設(shè)計(jì)包含三級(jí)火箭的火箭推進(jìn)器。但無(wú)論如何，運(yùn)載火箭都至少包含兩級(jí)火箭推進(jìn)器。

在運(yùn)載火箭的制造中，使用復(fù)合材料已不是什么新鮮事。重量輕、硬度高的碳纖維結(jié)構(gòu)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭箭體的制造。但仍有少數(shù)運(yùn)載火箭零部件是由金屬制成的。如果能將這些零部件轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料，可以大幅增加運(yùn)載火箭的載荷能力。位于二級(jí)火箭底部的推進(jìn)器支架，就是可以實(shí)現(xiàn)向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變的部件之一。

何為推進(jìn)器支架？

推進(jìn)器支架是運(yùn)載火箭的一部分，通常位于一級(jí)運(yùn)載火箭上方、二級(jí)運(yùn)載火箭下方的位置，上連燃料倉(cāng)，下接發(fā)動(dòng)機(jī)。

很多運(yùn)載火箭都在推進(jìn)器支架上安裝了監(jiān)控設(shè)備，在液體燃料通過(guò)推進(jìn)器支架注入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，這些設(shè)備可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況，確保正確運(yùn)行。因此，推進(jìn)器支架除了支撐主體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)外，還必須保障監(jiān)控設(shè)備在其中正常運(yùn)作。

空中客車防務(wù)及航天公司最近與荷蘭皇家航空航天中心合作，設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試了碳纖維推進(jìn)器支架，探索其在二級(jí)運(yùn)載火箭上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其從金屬結(jié)構(gòu)向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。該項(xiàng)目由歐洲航天局資助，并被納入其未來(lái)發(fā)射器籌備方案中。

為了測(cè)試推進(jìn)器支架中復(fù)合材料的適用情況，空客與荷蘭皇家航空航天合作開發(fā)了一個(gè)1:3的小型版本，如圖所示此設(shè)計(jì)圖展示了其外表面，該表面使用了轉(zhuǎn)向絲束自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 制造。推進(jìn)器面臨的設(shè)計(jì)和工程挑戰(zhàn)，是關(guān)于如何克服機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫度負(fù)載的負(fù)面影響。

復(fù)合材料推進(jìn)器支架并非易事

在金屬制品向復(fù)合材料制品轉(zhuǎn)換的大多數(shù)情況下，都要求復(fù)合材料制品具有超過(guò)原先金屬材料制品的成本效益，同時(shí)具備更強(qiáng)的性能指標(biāo)，特別是更輕的重量。對(duì)于推進(jìn)器支架來(lái)說(shuō)，每個(gè)指標(biāo)都舉足輕重。

空中客車防務(wù)及航天公司系統(tǒng)工程師查瓦德·法特米表示，推進(jìn)器支架的上部區(qū)域，需要滿足大量的性能、強(qiáng)度及剛度的不同要求，主要體現(xiàn)為：

• 提供將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到二級(jí)火箭的連接物

• 可將發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳輸?shù)蕉?jí)推進(jìn)器及載荷倉(cāng)

• 在彈道飛行、慣性滑行和落地階段的載荷轉(zhuǎn)移

• 增強(qiáng)整體剛度

• 為連接或固定到推進(jìn)器支架的設(shè)備提供安放處，并提供支持和固定

• 提供錨固，并啟動(dòng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴轉(zhuǎn)向和控制的伺服制動(dòng)器負(fù)載轉(zhuǎn)換

法特米補(bǔ)充道：“推進(jìn)器支架的上部區(qū)域（靠近頂環(huán)的部分）以強(qiáng)度為優(yōu)先考慮。這是由于每個(gè)層的熱膨脹系數(shù)不同，以及碳纖維復(fù)合材料裙邊和鋁頂環(huán)之間的熱膨脹系數(shù)差異 （目前大多數(shù)推進(jìn)器油箱由鋁制成），導(dǎo)致層壓板上的高熱應(yīng)力。推進(jìn)器支架必須保證所需的軸向剛度和彎曲剛度，這是二級(jí)火箭制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)所需的?！蓖七M(jìn)器支架的主要載荷除了熱誘導(dǎo)載荷和地面載荷外，還有發(fā)動(dòng)機(jī)推力載荷、伺服制動(dòng)器載荷和設(shè)備的慣性載荷。

推進(jìn)器支架還面臨著重大的溫度挑戰(zhàn)。荷蘭皇家航空航天中心高級(jí)科學(xué)家亨里·德芙瑞表示，因?yàn)橥ǔＨ剂闲枰蜏貎?chǔ)存，推進(jìn)器頂部與上級(jí)推進(jìn)器相連的地方，溫度可以低至零下238攝氏度。距此不到兩米的地方，在推進(jìn)器支架和發(fā)動(dòng)機(jī)連接處，溫度卻達(dá)到了零上50攝氏度。德芙瑞不禁感嘆：“如此短的距離內(nèi)，需要適應(yīng)如此大的溫度變化?！?/span>

盡管如此，法特米表示，研發(fā)出能適應(yīng)如此嚴(yán)苛條件，降低成本并減輕重量的復(fù)合材料推進(jìn)器支架，仍具有重要意義。“使用復(fù)合材料推進(jìn)器支架，所減輕的每一公斤重量，相應(yīng)就可以多增加一公斤的載荷，成本降低的同時(shí)增強(qiáng)了載荷效率”，法特米如是說(shuō)。

空中客車防務(wù)及航天公司與荷蘭皇家航空航天中心在推進(jìn)器支架復(fù)合材料的研發(fā)中有所分工?？罩锌蛙嚪绖?wù)及航天公司將提供系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)模擬和預(yù)測(cè)以及物理測(cè)試與預(yù)測(cè)性能的關(guān)聯(lián)。荷蘭皇家航空航天中心則提供材料和工藝相關(guān)專業(yè)知識(shí)，并負(fù)責(zé)制造環(huán)節(jié)，其中大部分工作由其高級(jí)研發(fā)工程師德芙瑞和項(xiàng)目經(jīng)理格里茨領(lǐng)導(dǎo)。

推進(jìn)器支架由兩個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件組成：通過(guò)牽引式自動(dòng)纖維鋪放制造的加固結(jié)構(gòu)蒙皮，以及共同固化到內(nèi)表面的整體預(yù)制加強(qiáng)筋。

法特米表示，空中客車防務(wù)及航天公司為推進(jìn)器支架確定的設(shè)計(jì)將加固結(jié)構(gòu)蒙皮與一系列整體預(yù)制加強(qiáng)筋集成在一起，共同固化到蒙皮內(nèi)表面。此外，推進(jìn)器支架設(shè)計(jì)有四個(gè)矩形切口，位于錐形結(jié)構(gòu)的窄端附近，最小的約為350×350毫米，最大的約為900×400毫米，這些缺口用來(lái)打造燃料管線至發(fā)動(dòng)機(jī)的饋通。

推進(jìn)器支架的設(shè)計(jì)、選材和開發(fā)制造技術(shù)將分別進(jìn)行管理。此外，法特米表示，與其開發(fā)全尺寸推進(jìn)器支架，不如先在1/3大小的小型版本上評(píng)估設(shè)計(jì)。該版本直徑為1.55米，高為0.57米。該版本需要減少一些設(shè)計(jì)元素，像把縱梁從40個(gè)減少到22個(gè)，厚度減少一半，切口由四個(gè)減少為一個(gè)。這樣的精簡(jiǎn)足以提供評(píng)估設(shè)計(jì)整體可行性所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)節(jié)省大筆開支。

推進(jìn)器支架的小型成品原型具有22個(gè)內(nèi)部加強(qiáng)筋，而不是全尺寸版本中的40個(gè)。較小的結(jié)構(gòu)也限制了在內(nèi)部蒙皮上包含集成的網(wǎng)格加強(qiáng)筋。

復(fù)雜的蒙皮工藝

蒙皮是設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的部分。格里茨表示，荷蘭皇家航空航天中心很早就決定在非熱壓罐工藝中采用自動(dòng)纖維鋪放，結(jié)合零件的機(jī)械和溫度要求，指導(dǎo)材料選擇過(guò)程。德芙瑞說(shuō)，熱循環(huán)、微裂紋和屈曲是此工藝面臨的主要問(wèn)題。他指出，高度硬化往往會(huì)引發(fā)微裂紋，一味追求剛度只會(huì)給自己增加麻煩。

格里茨表示，在初步評(píng)估了六種材料中，荷蘭皇家航空航天和空客最終選擇了其中一種。該預(yù)浸料包含美國(guó)赫克塞爾公司IM7 中間模量碳纖維和美國(guó)蘇威復(fù)合材料的CYCOM 5320-1增韌環(huán)氧樹脂。

如何應(yīng)用該材料，是下一個(gè)挑戰(zhàn)。在像推進(jìn)器支架這樣的錐形結(jié)構(gòu)上使用自動(dòng)纖維鋪放，要求使用拖纜去牽引，從支架寬端以一個(gè)角度越過(guò)直邊，進(jìn)入傾斜的錐形截面。荷蘭皇家航空航天開發(fā)的以有限元模型為指導(dǎo)的特殊程序，優(yōu)化了支架的制造工藝，為每個(gè)轉(zhuǎn)向?qū)由删哂惺走x纖維方向的矢量場(chǎng)。纖維鋪放仿真軟件將矢量場(chǎng)轉(zhuǎn)換為纖維鋪放機(jī)械臂的纖維牽引路徑，所選材料（如0.25英寸寬的絲束）的制造限制也被考慮到軟件設(shè)計(jì)中。因制造約束(如最小轉(zhuǎn)向半徑)引起的自動(dòng)纖維鋪放模擬偏差被反饋到程序中。程序會(huì)下令閉合最終設(shè)計(jì)回路，這樣以便對(duì)優(yōu)化后支架的受力性能行為進(jìn)行最佳預(yù)測(cè)。每一層新層片都根據(jù)其下方層片相反的方向去牽引。

格里茨透露，荷蘭皇家航空航天使用法國(guó)科里奧利公司研發(fā)的八臺(tái)自動(dòng)纖維鋪放機(jī)器，分別評(píng)估了0.125英寸和0.25英寸絲束的牽引轉(zhuǎn)向和應(yīng)用。法特米表示，空中客車防務(wù)及航天公司與荷蘭皇家航空航天，聯(lián)合其他公司一起花了八年時(shí)間進(jìn)行牽引轉(zhuǎn)向研究，學(xué)習(xí)如何避免轉(zhuǎn)向可能產(chǎn)生的重疊、間隙和皺紋。

此外，格里茨說(shuō)，1:3 比例設(shè)計(jì)的制造也帶來(lái)了挑戰(zhàn)?！叭詿o(wú)法突破在小比例設(shè)計(jì)中應(yīng)用相同的材料（如0.25英寸膠帶）和技術(shù)（如自動(dòng)纖維鋪放）時(shí)的制造限制。同時(shí)，在當(dāng)前制造限制下，設(shè)計(jì)出在低溫條件下負(fù)載表現(xiàn)與全尺寸相同的小尺寸推進(jìn)器支架，意味著更高程度的曲率，也是個(gè)挑戰(zhàn)?！?/span>

該測(cè)試面板展示了荷蘭皇家航空航天應(yīng)用“智能搭接”技術(shù)，開發(fā)的全尺寸版推進(jìn)器支架的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)蒙皮。智能搭接涉及戰(zhàn)略性地使用自動(dòng)纖維鋪放來(lái)構(gòu)建一系列集成的方形網(wǎng)格加強(qiáng)筋。

智能搭接

推進(jìn)器支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)是單獨(dú)設(shè)計(jì)和制造的，在1:3設(shè)計(jì)中包含22個(gè)縱向加強(qiáng)條，全尺寸設(shè)計(jì)中包含40個(gè)。全尺寸設(shè)計(jì)還設(shè)想，將每個(gè)縱向加強(qiáng)條都固定在具有一系列集成方形網(wǎng)格加強(qiáng)筋的碳纖維層壓板上。該方形網(wǎng)格加強(qiáng)筋使用荷蘭皇家航空航天所謂的“智能搭接”所制造。

在智能搭接中，自動(dòng)纖維鋪放機(jī)器執(zhí)行三個(gè)基本任務(wù)。首先，鋪設(shè)一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的碳纖維層。接下來(lái)，自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)按照編程，切割碳纖維束中間層，形成一系列100×100毫米無(wú)纖維束方塊。最后給這些方塊覆蓋上纖維的貼片。這些貼片比它們覆蓋的方塊稍大，在相同的方塊圖案中產(chǎn)生搭接。這些搭接增加了局部層壓板的厚度，形成了集成的方形網(wǎng)格加強(qiáng)筋。

操作過(guò)程中，連續(xù)的絲束被堆疊在整個(gè)方塊上，這會(huì)產(chǎn)生額外的高度和剛度，并在每個(gè)方塊的邊緣形成一個(gè)脊。隨著更多的絲束的堆疊，這條脊的高度會(huì)增加，逐漸形成明顯的方形網(wǎng)格加強(qiáng)筋。  格里茨說(shuō)：“只要搭接有足夠的長(zhǎng)度，就可以保持載荷轉(zhuǎn)移，但同時(shí)也增加了額外的材料厚度，增強(qiáng)了層壓板的抗彎剛度?！?/span>

由于1:3設(shè)計(jì)推進(jìn)器支架設(shè)計(jì)中空間不足，荷蘭皇家航空航天無(wú)法在其制造的結(jié)構(gòu)中構(gòu)建網(wǎng)格加強(qiáng)筋，但格里茨和德芙瑞表示，他們的團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)了在葉片加強(qiáng)筋之間加入了此類網(wǎng)格加強(qiáng)筋，制造了單曲面壓縮板。這些小型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的測(cè)試已表明，全尺寸設(shè)計(jì)通過(guò)將蒙皮的抗彎剛度增加5%，可以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。格里茨說(shuō)，通過(guò)進(jìn)一步增加集成網(wǎng)格加強(qiáng)筋的高度，可以實(shí)現(xiàn)更高的抗彎剛度。

U 形加強(qiáng)條通過(guò)熱成型工藝預(yù)成型，并與隔板和縱梁加強(qiáng)筋一起放置在這個(gè)網(wǎng)格加固的內(nèi)蒙皮上。然后將整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)嵌套在外殼的內(nèi)表面中，再將外殼嵌套在陰模中。這套完整的組件最后經(jīng)過(guò)真空袋裝和烘箱固化，形成最終的共固化結(jié)構(gòu)。

法特米表示，從小型設(shè)計(jì)推進(jìn)器支架的成功設(shè)計(jì)和制造結(jié)果來(lái)看，全尺寸設(shè)計(jì)的制造是相當(dāng)有保障的?？罩锌蛙嚪绖?wù)及航天公司與荷蘭皇家航空航天目前正在同運(yùn)載火箭制造商磋商，評(píng)估復(fù)合推進(jìn)器支架在下一代火箭設(shè)計(jì)中的可行性。