碳纤维增强复合材料（CFRP）在军工领域的应用之火箭、导弹

碳纤维复合材料（CFRP）作为先进复合材料的代表，它的发展不仅推动航天技术的飞速发展，在导弹和火箭的应用中也有着不可替代的作用。碳纤维复合材料的应用水平与规模甚至已经关系到导弹与火箭新型号的研发和整体性能的提升。

许多航天工业组织正在追求火箭结构的轻量化，在这种氛围下碳纤维复合材料则成为轻量化首选。目前火箭飞行维持器的主要结构如翅片筒、鼻锥、机身等均可通过采用碳纤维复合材料 (CFRP)，可以有效降低重量。

航天飞行器的重量每减少1公斤，可使运载火箭减轻500公斤，因此，碳纤维复合材料成为目前航天飞行器结构应用范围最广、技术成熟度最高的材料。对于运载火箭和导弹而言，碳纤维复合材料不但可以实现结构轻量化，而且也是功能化的关键原材料。

目前航天器结构用碳纤维主要为PAN基碳纤维，而且以高强中模（T系列）、高强高模（MJ系列）为主，如火箭、导弹发动机大多采用高强中模碳纤维，导弹支架、支座或托架等结构采用了高强高模碳纤维。

在运载火箭领域，碳纤维复合材料可用于制造固体发动机壳体结构、箭体整流罩、仪器舱、级间段、发动机喷管喉衬、卫星支架、低温贮箱等部件。碳纤维复合材料在运载火箭应用的典型代表为发动机壳体。当发动机运转工作时，壳体除了承受来自内外部的压力外，会要面临轴压、弯曲、扭转及横剪等外部载荷，因此发动机壳体所用的碳纤维大多为强度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高强中模碳纤维，如日本东丽T800、T1000和美国赫氏IM7等。

• Neutron号火箭

采用碳纤维复合材料结构，“中子”（Neutron）号火箭将成为全球第一个碳纤维复合材料大型运载火箭。

凭借先前开发小型运载火箭“电子”（Electron）的成功经验，美国领先的发射和空间系统公司“火箭实验室”（Rocket Lab USA）开发了一款名为“中子”（Neutron）的大型运载火箭，其载荷能力达8吨，可用于载人航天、大型卫星星座发射和深空探测等任务。该火箭在设计、材料和可重复利用方面取得了突破性成果。

图1 美国Neutron号碳纤维复合材料运载火箭

• Electron号火箭

与SpaceX的猎鹰9号（Falcon 9）或蓝色起源（Blue Origin）的新牧羊犬（New Shepherd）等巨型火箭相比，Electron号像是一个婴儿火箭，因为其最大有效载荷仅为225千克，而猎鹰9的最大有效载荷为22800千克。但Electron与这些大型火箭不同之处在于，它专门设计用于将称为立方体卫星的微小卫星送入太空。对于发射轻型有效载荷的需求来水，它的发射价格也相对便宜，每次发射550万美元，而将SpaceX猎鹰9号火箭送入轨道通常需要6000万美元。

图2 Electron号运载火箭组装车间

据统计，导弹固体火箭发动机第三级结构质量每减少1kg，可增加有效射程 16km，因此自20世纪80年代以来，多种战术导弹的固体发动机壳体等结构开始使用复合材料，如美国新一代空面巡航导弹 ACMI58-JASSM为了大幅度地降低成本、减轻弹体重量，不仅弹翼、尾翼、进气道采用复合材料，整个弹身全部舱段都采用了碳纤维复合材料，全弹减重了30%，成本降低50%。  

Aerojet Rocketdyne电机碳纤维绕线机于2020年初开始在阿拉巴马州的汉斯维尔生产大型固体火箭发动机壳体。

结构壳体采用碳纤维缠绕方式成型，最大生产直径为72英寸、长度为22英尺的机壳，其大小足以支持战略导弹计划，旨在制造用于各种导弹，导弹防御系统和高超音速系统的机壳，它同时支持的生产包括终端高空区域防御和标准导弹拦截器。

图3 碳纤维复合材料外壳缠绕设备

图4 火箭发动机碳纤维复合材料外壳

碳纤维复合材料在火箭上的应用已经相对成熟，随着碳纤维复材的更新迭代，后续出现的连续碳纤维增强热塑性复合材料相继问世。制造火箭的多个部件可能还会迎来新的变化，碳纤维航空航天应用也就得到更多的成效，我们拭目以待。

图5 碳纤维复合材料火箭外壳

• Rae Paoletta，Adorable Carbon Fiber Rocket ls Finally Ready To Launch，2017
• 強化プラスチック協会. “成形法”. 基礎からわかるFRP. 東京, コロナ社, 2016, p38-85.