[发明专利]由溶纺纤维素母体制成的火箭组件烧蚀材料及采用这种材料绝热或热保护火箭组件的方法

说明书

                         发明背景

发明领域

本发明涉及火箭发动机的烧蚀材料，特别是，填充树脂的碳纤维和碳/碳烧蚀材料，和制造这种烧蚀材料的方法。特别是本发明涉及具有增加组分的碳烧蚀材料，所述增强组分是由碳化之前、作为母体的梳理和纺制溶纺纤维素纤维和/或溶纺长丝形成的。本发明还涉及包括碳烧蚀材料的火箭发动机组件。

相关技术的描述

通常，在当今工业实践中可以接受的采用聚合物基合成物制备固体推进剂火箭发动机的绝热材料非常重要地包括碳纤维织物。这种合成物一般由碳纤维织物构成，后者为机织增强结构，采用合适的树脂基材浸渍。这种树脂基材基通常是酚醛树脂，当然，也可以采用其他树脂基材。为了制造这种机织增强结构，在当今工业中选择非溶纺(non-solvent spun)粘胶人造丝的连续长丝作为母体材料，在本文中称为连续粘胶人造长丝。这种连续的粘胶人造长丝专门用于制造烧蚀材料，其通过机织、卷绕或其他加工方法制成需要的结构，然后碳化，形成具有优良烧蚀特性、优良物理性能和可加工性的碳结构。

采用连续的粘胶人造长丝母体制造碳和碳/碳烧蚀材料的碳增强结构已经成为火箭发动机工业标准，这是由于其具有优越的烧蚀特性，优良的物理和热学性能以及良好的加工性能。由连续粘胶人造长丝母体形成的合成物具有的优越物理性能之一是在室温条件下(大约21℃或70°F)固态合成物的经向强度(warp strength)高达144.8M Pa(大约21000磅/英寸²)，这是在对母体进行碳化和浸渍之后测得的。经向强度反映了长丝抵抗沿着经向(或沿着纵向)长丝轴线的作用力的承受能力。

但是，与使用固态合成物相关的主要缺点包括，例如在火箭喷嘴绝热材料的大块(bulk)区域发现的，连续粘胶人造长丝的包绕层中、在火箭发动机点火期间、在大块(bulk)烧蚀材料中(与排气表面相对)、在运行温度、由碳化的连续粘胶人造长丝具有的横穿层(across ply)抗拉强度相当低。在大块烧蚀材料中的点火温度一般可以升高到400℃或750°F。特别是按照规定，包括碳化连续粘胶人造长丝包绕层的固态合成物具有的横穿层抗拉强度大约是2.07MPa或300磅/英寸²。在本文中所述，横穿层抗拉强度是负载量的大小，其作用方向垂直于长丝的轴线，其表示两重叠的长丝层在相对滑动之前能够承受的负载。

最近非常关注的另一个与连续的粘胶人造长丝相关的相当严重的缺陷是这种特殊类型的连续长丝的可利用性。在过去的几年中，唯一生产足够数量的非溶纺连续粘胶人造长丝并符合工业要求的制造商是田纳西州Elizabethton的North American Rayon Corp.(NARC)。但是，由于NARC公司停止生产连续的粘胶纤维长丝，基于连续的粘胶人造长丝生产烧蚀材料衬层和其它绝热材料的生产能力受到危害。因此，在本行业中，以前的生产不能满足要求，需要找到另一种供给源，或者说，可以作为由连续的粘胶人造长丝母体制成上述符合要求的绝热材料的可替代的候选物。

由于绝热材料暴露在极端恶劣条件下，可替代的候选物必须满足规定的要求，才是可以接受的，并且在相当严酷的条件下，其功能有效。这些条件不仅包括相当高的温度，而且，受来自横穿并排出火箭发动机内部的热粒子(以及气体)的烧蚀影响，或者在返回大气层推进器绝热材料的外表面上的烧蚀影响。除非绝热材料能够承受这些条件，否则将产生灾难性失败。

因此，任何替代的绝热材料都应当具有相当的耐高温和烧蚀特性，和流变、物理性能，这些特性和性能至少等同于那些连续粘胶人造长丝的相关性能，而且不应当对生产绝热材料的加工过程产生其他重要的改变。而且，由于在工业中，需要大量和不断增长的固体推进剂火箭发动机的绝热材料，任何这种可替代的增强母体的候选物，在现在和可以预见的将来，都具有丰富的可以利用的资源。

另一种可以作为烧蚀材料使用的碳母体是连续聚丙烯腈(PAN)长丝。聚丙烯腈连续长丝的缺点是具有比纤维素材料高的密度，聚丙烯腈是1.8g/cm³，纤维素长丝是1.48g/cm³，而且聚丙烯腈导热性能高于纤维素材料。因此，为了给人造长丝提供相当的绝热性能，采用聚丙烯腈长丝制成的火箭发动机喷嘴的绝热材料、或者返回大气层推进器的绝热材料具有的厚度和重量必须大于采用纤维素材料制成的具有相当性能的绝缘材料。当可替代的材料被用做火箭外壳内部的绝热材料时，在推进剂燃烧的整个过程中，其必须符合保护火箭外壳的烧蚀极限，同时对火箭发动机不增加过多的重量。