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基于运载火箭使用环境的超疏水涂层 防水防结冰应用研究

派旗纳米 浏览次数:1059 分类:行业资讯

 张 薇,刘长志,范书群
北京市航宇工程项目研究室,北京市 

收稿日期:2020年1月21日;录取日期:2020年2月5日;公布日期:2020年2月12日

摘 要

 以CZ-5、CZ-7为象征的中国新一代超低温液态火箭发动机,对箭体构造防潮、防结冻作用明确提出了更多规定。
根据详细介绍超疏水状况的工作原理及运用环境,概述在我国火箭发动机箭体构造防潮、防结冻设计方案现况,并根据试
验科学研究超疏水镀层针对火箭发动机构造的防潮、防冰冻运用实际效果及自然环境适应能力,认证了镀层对箭体表层小
间隙具备较好的防潮实际效果,对结冻状况有一定的改进,为研制开发质轻、高效率、多用途的火箭发动机箭体构造
明确提出了新的构思。
关键字
箭体构造,防潮,防结冻,超疏水镀层

1.前言 

火箭发动机遇水后返潮,很有可能造成电路短路走电,导致电气控制系统工作中出现异常,如处理错误,很有可能造成发送
每日任务没法一切正常实行,乃至危害成功与失败。在我国长征系列火箭发动机,箭体构造大多数不具有防潮作用,或只靠在
关键间隙处黏贴透明胶布,解决发送前数十分钟内很有可能碰到的短期内雨雪天气。以 CZ-5、CZ-7 为意味着
的新一代火箭发动机,选用液氢、液氧等超低温液态推进剂,产生环境保护、无毒性零污染益处的与此同时,也对箭体
构造本身的防潮、防结冻工作能力明确提出了更多规定。
超低温推进剂促使箭体表层绝大多数地区溫度很低,充注推进剂时,空气中的水份碰到溫度较低的箭
体,非常容易凝固成小水雾粘附在箭体表层,并在重能力的作用下往下流动,并从间隙渗入进到火箭弹內部。新
一代火箭发动机关键在海南文昌酒泉卫星发实行发送每日任务,酒泉卫星发自然环境高溫、多雨、湿冷,即使阳光明媚,
从推进剂充注至发送的数十钟头期内,箭体表层均存有很多的凝结水流动,贮箱周边无绝热材料维护的
地区,也是彻底被冰面遮盖。因而,针对新一代火箭发动机,箭体构造的防潮解决是发送前的一项关键
工作中。
箭体表层存有例如铆合、螺接、蒙皮钢筋搭接等很多的不由此可见间隙,也包含实际操作舱门盖、分离出来连接面等
一些比较大间隙,当今关键采取一定的有效措施是用硅胶、密封胶条对间隙开展封堵。该工作中十分繁杂,促使火箭弹在
生产制造和发送环节实际操作复杂,并且提高了火箭弹净重。据调查,多发火箭弹防潮应用的硅胶,总重可达
100 kg 以上,与一个 Φ2米级舱段构造的净重非常。
文中试着运用超疏水状况,用“以疏代堵”的核心理念,在箭体表层喷漆超疏水原材料,根据火箭发动机实
际应用自然环境开展防潮、防结冻实验,研究将超疏水原材料运用于箭体构造防潮性能增加的可行性分析,为简单化
火箭升空每日任务中的箭体构造防潮实际操作、缓解构造净重、提高运输工作能力明确提出一种有效途径。 

2. 超疏水原材料极其运用现况

2.1. 超疏水状况产生的基本原理 

大家最开始对超疏水状况的了解是以菏叶逐渐的,菏叶具备的超疏水性主要表现在下完雨后的菏叶表层看起来十分的小清新和清洁,即知名的“荷叶效应”[1]。根据 Barthlott W.和 Neinhuis C.对菏叶表层多孔结构的观查,
发觉菏叶表层具备比较复杂的多种纳米和微米级构造,这类构造促使菏叶具备了超凡的超疏水特性和自
洁特性,解开了表层自清理状况的本质基础理论[2]。这类水珠在其外表呈球型,具备憎水性特性的原材料称作
亲水性原材料。图 1 为水在物品表层的表面张力。一般来说,水珠在物品表层的表面张力 θc 低于 90˚称之为亲水性材
料,超过 90˚叫亲水性原材料,超过 150˚叫超疏水原材料。水珠在菏叶表层的表面张力达到 164˚。

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Figure 1. The contact angle of water 

图 1. 水在物品表层的表面张力
根据科学研究,大家发觉具备超疏水特性的原材料有两个一同的特性:

1) 原材料表层有排序井然有序的μm级凸起颗粒物,其上也有更细微的纳米颗粒物;

2) 原材料表层有低表面的生物体蜡。

水珠在界面张力功效下,会产生一个球。微结构构造的外表产生一个个微纳米其他小制动气室;水雾一
般为mm等级,没法进到制动气室,因此产生一种水雾在原料表层不进到的情况。生物体蜡是一种低表面、
亲水性的成分,它加强了微纳构造的亲水性实际效果。这就是超疏水原材料的亲水性基本原理。

2.2. 超疏水原材料的使用现况

 超疏水原材料关键运用其自清理、耐污染等生物体仿生技术层面的性能开展开发设计和运用,在例如军用、农牧业
微液体孔状自浇灌、管路高质量运送、建筑物及其各种各样室外自然环境下运行的专用设备的防潮和防冰等领域有广
阔的市场前景。

1) 防结冻。因为水珠在超疏水表层难以滞留,且表面张力非常大,水珠与表层触碰总面积较小,热对流效
率低,因而超疏水表层具备不错的抗结冻特性。杨军等[3]对超疏水表面技术在汽车发动机防冰构件中的运用
开展了科学研究,觉得该技术性不但可以完成防冰,超疏水表层的纳米技术构造还能根据其自清理作用缓解浸蚀,
进而提升汽车发动机的稳定性和使用期限。

2) 耐污、耐腐蚀。运用超疏水原材料与众不同的疏水性,研制开发没有颜色全透明、无毒性、零污染的建筑涂料,将其做为
安全防护液喷在房屋建筑内墙、夹层玻璃、鞋、衣服等表层,水珠挪动更非常容易,表层的自清理工作能力提高,不
易空气氧化、浸蚀[4]。张德建等[5]根据在铝表层制取具备微、纳米技术构造的不光滑塑料薄膜,完成了 150˚海面表面张力,
并根据实验认证了超疏水的表层对比一般铝型材能做到 99.990%的缓蚀率,能合理文件的提升抗海面浸蚀
特性。

3) 减阻。在管路内腔、船只表面等表层制取超疏水塑料薄膜,不但可提升防腐蚀工作能力,更能合理减少管
道汽体、液态运送及其船只行驶摩擦阻力,对减少运送耗能、提升运输高效率有较大协助。有实验表明,在
铝合金型材平板电脑表层涂敷一种低表面的镀层,可减少摩擦阻力 18%~30% [6],这其实便是超疏水原材料的减
阻实际效果。

赵坤等[7]根据实验,认证了通过超疏水原材料涂敷的铝合金型材基材,表层具备较好的超疏水特性,而运
载火箭弹箭体构造的具体原材料恰好是铝合金型材。

3. 在我国火箭发动机箭体构造防潮、防结冻设计方案现况

依据结构形式及作用的不一样,火箭发动机箭体大构造关键分成贮箱和壳段。在我国服役液态火箭发动机,
壳段大多数为组装式构造,每一个壳段由数百种零组件根据铆合、螺接等套筒连接方法安装而成,因而,在
零组件钢筋搭接、连接处,及其螺栓、地脚螺栓周边,存有许多细微的间隙。与此同时,依据具体要求,壳段和贮箱
短壳外壁上安装有大小不一的各种各样张口,接口处一般用后盖板或小外罩封堵,用以防污和防沙,后盖板或小
外罩的边沿与壳段安装处,及其用以安装的地脚螺栓、迅速锁等联接件周边,均会具有不一样水平的间隙。此
外,不一样壳段中间、壳段与贮箱中间的连接面,及其级间分离出来、整流罩分离出来面处的结构,均存有间隙。
以上大小不一的间隙,普遍遍布在箭体构造表层,均存有渗水的风险性。

对于这种间隙,在我国新一代超低温火箭发动机,关键采用了封堵的形式开展防潮解决。针对螺栓孔、抗
剪地脚螺栓孔等很小间隙,除火箭弹原来表层喷涂外,不采用专业防潮对策;针对搭接缝处、对接缝处等较小间隙,
采用在间隙边沿擦抹防水密封胶的对策;针对舱门盖等比较大间隙处,采用黏贴防潮密封胶条和涂防水密封胶融合的
方法,并采用防潮锁等专用型联接件。因为箭体构造表层间隙总数、品种繁多,这种用以解决防潮问题的
对策,增加了构造生产周期,尤其是一些有独特作用的构造,必须在邻近发送时开展防潮解决,使本来
就很焦虑不安的射前工作中更为复杂,并且很容易发生疏忽。

针对箭体构造的防结冻,现阶段未采用专业应对措施,如发生危害火箭升空每日任务的结冻问题,关键靠
手动式清除的方法解决。

简而言之,在我国火箭发动机箭体构造防潮、防结冻设计方案现况详见表 1。

Table 1. Current waterproof and anti-icing design of rocket structure
表 1. 箭体构造防潮、防结冻设计方案现况 

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4. 超疏水镀层箭体构造防潮、防结冻实验

4.1. 超疏水试片洒水、结冻实验

 为认证某类具备超疏水特点的镀层原材料对金属表层疏水性能的危害,采用航空航天运输器构造常见的 1.2
mm 厚 2A12 铝板,开展洒水和结冻检测。试片表层各自为下列三种情况:不喷超疏水镀层、不打磨抛光
喷超疏水镀层、打磨抛光后喷超疏水镀层。打磨抛光时,选用 150 目地一般水磨砂纸手工制作打磨抛光试片表层,打磨抛光至
有显著不光滑感;喷漆的超疏水镀层采用市购 Ultra-Ever Dry (非常干)组份份液态喷漆原材料,按产品介绍使
镀层能详细遮盖试片表层。

4.1.1. 试片洒水实验

 1) 未喷漆超疏水镀层的铝合金型材试片洒水实验

如下图 2 所显示,试片水准情况下,水触碰试片表层后,表面张力显著低于 90˚;试片偏斜时,水珠不降落,
或缓慢降落,试片上流下来显著水迹,试片呈吸水性。

2) 不打磨抛光表层,立即喷漆超疏水镀层的铝合金型材试片洒水实验

如下图 3 所显示,试片水准情况下,水触碰试片表层后,表面张力略大 90˚;试片偏斜时,水珠降落,试
上面流下来轻度水迹,试片具备一定的疏水性。

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Figure 2. The uncoated test-piece exhibited hydrophilicity

图 2. 未喷漆试片主要表现出吸水性

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Figure 3. The aluminum alloy test-piece coated without polishing

图 3. 没经打磨抛光立即喷漆超疏水镀层的铝合金型材试片

3) 打磨抛光表层后,喷漆超疏水镀层的铝合金型材试片洒水实验

如下图 4 所显示,试片水准情况下,水触碰试片表层后,表面张力显著超过 90˚;试片偏斜时,水珠快速,
试片上基本上没留水迹,试片具备特别强的疏水性。

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Figure 4. The aluminum alloy test-piece coated after polishing

图 4. 打磨抛光后喷漆超疏水原材料的铝合金型材试片

将 3)中的试片在房间内置放数日后,再开展洒水实验,超疏水特性基本上保持不变;用手指往返擦洗试
片表层一两分钟,疏水性能仍然不错,結果如下图 5 所显示。

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Figure 5. Good hydrophobicity after frequent touch

图 5. 手经常触碰试片疏水性能仍然不错

4.1.2. 试片结冻实验

提前准备未喷漆超疏水镀层和经打磨抛光并喷漆超疏水镀层的铝合金型材试片,表层洒水后,置放在−15℃自然环境中,
20 分鐘后观查结冻状况,如下图 6 所显示。可以看得出,两侧俩件为未喷超疏水镀层试片,表层已彻底被冰覆
盖,冰面匀称高密度,且越结越厚;正中间俩件为喷漆过超疏水镀层的试片,表层虽然有结冻,但冰呈珠状散
布,且可使重能力自主爆出。超疏水镀层对金属表层结冻状况有不错的改进。

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4.2. 超疏水典型性实验件洒水实验

4.2.1. 箭体构造典型性实验件设计方案

根据前文剖析得知,现阶段针对箭体构造防潮问题的解决,关键以封堵为主导。超疏水原材料的亲水性特点,
可以将“堵”变化为“疏”。实验表层,具备超疏水特点的镀层原材料,可以明显提升铝合金型材表层的亲水性
特性。为认证其在箭体构造防潮问题上的真实使用和实际效果,依据火箭发动机普遍结构形式,鉴别易渗漏
的位置,包括口框锁帽处、蒙皮搭接缝处、部段连接面、螺钉连接处、蒙皮端框钢筋搭接处、小整流罩处等,由此设计方案了典型性舱段防潮实验件,如下图 7 所显示。

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Figure 7. Typical cabin test article

图 7. 典型性舱段实验件

实验在淋储水箱里开展,试验仪稍微偏斜,在实验件侧边布局雨淋喷头,对实验件洒水。实验标准参
考火箭发动机自然环境规定,调整喷头的洒水量,仿真模拟中到大雨标准(降水抗压强度为 10 mm/h,有清宴)。实验在常温下常
压下开展,实验時间不断 1 钟头。实验前,对实验件反面开展维护,如下图 8 所显示,避免水从侧边进到。
各自对喷漆超疏水镀层前、后的实验件开展洒水实验。

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Figure 8. Protection of the back of the test article

图 8. 实验件反面维护

4.2.2. 无超疏水镀层的实验件洒水实验

对未喷漆超疏水镀层的实验件开展洒水实验。
实验操作过程中,可以留意到水贴紧实验件表层流动性,与试片实验中铝合金型材表层主要表现出的吸水性一致;
洒水 1 小时后实验完毕,观查实验件反面,能够看见塑料薄膜内残存了很多水蒸气,且有储水。经查验,
几乎全部预置的很有可能渗漏点均有不一样水平的渗漏状况发生。实验結果表层,在无超疏水镀层维护
下,因为构造表层具备亲水性特性,水非常容易在毛细作用下根据细微间隙,渗漏到构造里侧,如下图 9 所

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Figure 9. The test article without coating after drenching; (a) The locks of the flap; (b) The edge of the flap

图 9. 无超疏水镀层的实验件淋水时;(a) 口框锁帽处的锁;(b) 口框锁帽处边沿

4.2.3. 有疏油镀层的实验件淋雨试验

对喷漆了超疏水镀层的实验件开展洒水实验。

实验操作过程中,可以留意到水以珠状向四周蔓延,与试片实验中喷漆过超疏水原材料的铝合金型材表层主要表现出
的疏水性一致。洒水 1 小时后实验完毕,观查实验件反面,如下图 10 所显示,能够看见反面比较干躁,底端
荡然水。通过查验,沒有发生显著的水流动状况。可以看得出,超疏水建筑涂料对细微间隙有不错的防潮功效。
可是在大锁帽四角处,有小量水珠发生,如下图 11 所显示。经剖析,此处因为沒有锁卡紧锁帽与口框,发生
一定的宏观经济间隙,水珠或流水在高速情况下从间隙处进到到构造內部。不难看出,超疏水原材料在较小的缝
隙上有不错的防潮实际效果,而比较大间隙则不可以合理防潮,必须凭借别的防潮方式互相促进防潮作用。

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Figure 10. The test article with coating after drenching

图 10. 有疏油镀层的实验件淋水时反面

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Figure 11. The coated test article after drenching (near the flap); (a) The edge inside the
flap; (b) The edge outside the flap

图 11. 有疏油镀层的实验件淋水时大锁帽周边;(a) 口框锁帽处里侧边沿;(b) 口
框锁帽处两侧边沿

根据实验結果可以看得出,含有纳米涂层的典型性实验件,针对 1 mm之内细微的间隙,具备不错的防潮效
果;超疏水原材料并没有对实验件间隙开展封闭式,因而针对有明显间隙,原材料超疏水性没法抵御水的入侵,
仍需融合密封环、密封剂等对策一同完成构造防潮。

4.3. 超疏水镀层典型性壁板结冻实验

 超低温火箭弹开展推进剂充注时,在推进剂贮箱短壳处会产生结冻状况,结冻造成箭体体重增加,危害分离出来,
并有冰块儿掉下来砸到工作人员及商品的风险性。以 CZ-5 为例子,芯级贮箱短壳上的结冻总面积达数十平方米,结冻净重
可达数百公斤。

推进剂贮箱短壳的结构方式以铝合金型材网格图加强筋壁板为主导。提取一段贮箱短壳网格图加强筋板做为典型性试
验构造,根据在构造表层喷漆超疏水原材料,探寻超疏水原材料对箭体构造防冰特性的危害。因为试验室很
难仿真模拟在海南省高溫、高低温自然环境下,水蒸汽粘附在超低温构造表层冷疑、结冻的全过程,文中只对超疏水原材料
的防结冻特性开展探究性实验。实验自然环境为−40℃,温度约 10℃,水沿着边界层往下流动性。

如下图 12 所显示,实验件左边为没经加工处理的初始表层,右边表层喷漆了超疏水原材料。实验逐渐一段时间
后,左边较右边结冻速度更快,且冰面呈面状遍布,而有镀层的右边冰以颗粒遍布。伴随着时间流逝,冰
顺着已结冻地区向四周提高并遮盖原来构造,两边结冻情况区别并不大。在清除冰面时,右边有镀层的较
左边无镀层的更为省劲,表明冰面黏附力较小。

12.JPG

Figure 12. Ice situation (in the early and late)

图 12. 结冻状况,前期和中后期

此外,如下图 13 所显示,除去冰面后,有镀层的构造表层仍然主要表现出不错的疏水性能。

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Figure 13. Hydrophobicity maintained after removing the ice

图 13. 去除冰面后仍然有不错疏水性能

在实验标准下,超疏水镀层针对箭体构造防结冻的作用在前期比较显著,结冻速率比较慢;因为超疏
水镀层不可以防止构造表层彻底不见水,小量水依然会凝固结冰,接着触碰到表层的凉水在原来冰面表层
再次凝固,伴随着时间流逝,构造表层会产生偏厚冰面。

必须表明的是,实验标准与真正酒泉卫星发标准有很大区别,而酒泉卫星发标准无法仿真模拟,因而还不可以立即
判断超疏水镀层在酒泉卫星发标准沒有实际效果。

超疏水镀层可以减缓构造表层的结冻速率,但在长期超低温条件下没法最后阻拦结冻,仅能完成冰
层容易除去的实际效果。

5. 结果及未来展望 

实验表明,将超疏水原材料涂敷在火箭发动机构造表层,具备如下所示实际效果:

1) 将针对现阶段未采用专业防潮对策的螺栓孔、抗弯地脚螺栓孔的很小间隙,能进一步提高防潮稳定性;

2) 针对钢筋搭接、对接缝处等较小间隙,可替代涂防水密封胶工艺流程,简单化实际操作;

3) 针对张口封堵构造这一类比较大间隙,在搭配目前防潮对策的根基上,对改善构造防潮工作能力有一定功效;

4) 超疏水原材料对箭体构造表层结冻有一定缓解实际效果,并能使冰面更易掉下来,对提升箭体构造防结冻
工作能力有一定实际效果。
超疏水原材料可在一次水平上提升火箭发动机箭体构造的防潮、防结冻工作能力,但间距工程项目运用仍有比较大
间距,必须处理下列至关重要的问题:

1) 提升耐磨性能,使其对各种各样普遍火箭发动机箭体构造表层情况具备较好的粘附特性;

2) 简单化涂装工艺,或将原材料的超疏水特性与现阶段火箭发动机表层喷漆的漆、隔热镀层等紧密结合,完成
简单化防潮实际操作的目地;

3) 对于火箭发动机繁杂的自然环境标准及其操作过程、应用要求,超疏水原材料必须达到无毒性、零污染、成
分平稳等规定,并能融入火箭发动机高低温试验、浸蚀、耐腐蚀、黄曲霉菌、导电率等自然环境标准。

论文参考文献

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