推進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，通常位于一級火箭和二級火箭之間。推進器支架在耐熱性和機械結(jié)構(gòu)特性方面要求很高，目前主要由金屬材料制成，但空客正在評估將金屬制品推進器支架轉(zhuǎn)化為復合材料制品的可行性。

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

緊接著，二級運載火箭被點燃，為航天器剩下的旅程提供動力支持。如果需要更高載重，更長航行距離及時間，也可設(shè)計包含三級火箭的火箭推進器。但無論如何，運載火箭都至少包含兩級火箭推進器。

在運載火箭的制造中，使用復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)用于運載火箭箭體的制造。但仍有少數(shù)運載火箭零部件是由金屬制成的。如果能將這些零部件轉(zhuǎn)換為復合材料，可以大幅增加運載火箭的載荷能力。位于二級火箭底部的推進器支架，就是可以實現(xiàn)向復合材料轉(zhuǎn)變的部件之一。

何為推進器支架？

推進器支架是運載火箭的一部分，通常位于一級運載火箭上方、二級運載火箭下方的位置，上連燃料倉，下接發(fā)動機。

很多運載火箭都在推進器支架上安裝了監(jiān)控設(shè)備，在液體燃料通過推進器支架注入發(fā)動機時，這些設(shè)備可以監(jiān)控發(fā)動機健康狀況，確保正確運行。因此，推進器支架除了支撐主體結(jié)構(gòu)的目標外，還必須保障監(jiān)控設(shè)備在其中正常運作。

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、開發(fā)和測試了碳纖維推進器支架，探索其在二級運載火箭上的應(yīng)用，實現(xiàn)其從金屬結(jié)構(gòu)向復合材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。該項目由歐洲航天局資助，并被納入其未來發(fā)射器籌備方案中。

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

復合材料推進器支架并非易事

在金屬制品向復合材料制品轉(zhuǎn)換的大多數(shù)情況下，都要求復合材料制品具有超過原先金屬材料制品的成本效益，同時具備更強的性能指標，特別是更輕的重量。對于推進器支架來說，每個指標都舉足輕重。

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，推進器支架的上部區(qū)域，需要滿足大量的性能、強度及剛度的不同要求，主要體現(xiàn)為：

• 提供將發(fā)動機安裝到二級火箭的連接物

• 可將發(fā)動機推力傳輸?shù)蕉壨七M器及載荷倉

• 在彈道飛行、慣性滑行和落地階段的載荷轉(zhuǎn)移

• 增強整體剛度

• 為連接或固定到推進器支架的設(shè)備提供安放處，并提供支持和固定

• 提供錨固，并啟動用于發(fā)動機噴嘴轉(zhuǎn)向和控制的伺服制動器負載轉(zhuǎn)換

法特米補充道：“推進器支架的上部區(qū)域（靠近頂環(huán)的部分）以強度為優(yōu)先考慮。這是由于每個層的熱膨脹系數(shù)不同，以及碳纖維復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)推進器油箱由鋁制成），導致層壓板上的高熱應(yīng)力。推進器支架必須保證所需的軸向剛度和彎曲剛度，這是二級火箭制導、導航和控制系統(tǒng)所需的。”推進器支架的主要載荷除了熱誘導載荷和地面載荷外，還有發(fā)動機推力載荷、伺服制動器載荷和設(shè)備的慣性載荷。

推進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科學家亨里·德芙瑞表示，因為通常燃料需要低溫儲存，推進器頂部與上級推進器相連的地方，溫度可以低至零下238攝氏度。距此不到兩米的地方，在推進器支架和發(fā)動機連接處，溫度卻達到了零上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。”

盡管如此，法特米表示，研發(fā)出能適應(yīng)如此嚴苛條件，降低成本并減輕重量的復合材料推進器支架，仍具有重要意義。“使用復合材料推進器支架，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，成本降低的同時增強了載荷效率”，法特米如是說。

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器支架復合材料的研發(fā)中有所分工。空中客車防務(wù)及航天公司將提供系統(tǒng)要求和設(shè)計方案、設(shè)計模擬和預測以及物理測試與預測性能的關(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，并負責制造環(huán)節(jié)，其中大部分工作由其高級研發(fā)工程師德芙瑞和項目經(jīng)理格里茨領(lǐng)導。

推進器支架由兩個復合材料結(jié)構(gòu)部件組成：通過牽引式自動纖維鋪放制造的加固結(jié)構(gòu)蒙皮，以及共同固化到內(nèi)表面的整體預制加強筋。

法特米表示，空中客車防務(wù)及航天公司為推進器支架確定的設(shè)計將加固結(jié)構(gòu)蒙皮與一系列整體預制加強筋集成在一起，共同固化到蒙皮內(nèi)表面。此外，推進器支架設(shè)計有四個矩形切口，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，這些缺口用來打造燃料管線至發(fā)動機的饋通。

推進器支架的設(shè)計、選材和開發(fā)制造技術(shù)將分別進行管理。此外，法特米表示，與其開發(fā)全尺寸推進器支架，不如先在1/3大小的小型版本上評估設(shè)計。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)計元素，像把縱梁從40個減少到22個，厚度減少一半，切口由四個減少為一個。這樣的精簡足以提供評估設(shè)計整體可行性所需的數(shù)據(jù)，同時節(jié)省大筆開支。

推進器支架的小型成品原型具有22個內(nèi)部加強筋，而不是全尺寸版本中的40個。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)格加強筋。

復雜的蒙皮工藝

蒙皮是設(shè)計中最具挑戰(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纖維鋪放，結(jié)合零件的機械和溫度要求，指導材料選擇過程。德芙瑞說，熱循環(huán)、微裂紋和屈曲是此工藝面臨的主要問題。他指出，高度硬化往往會引發(fā)微裂紋，一味追求剛度只會給自己增加麻煩。

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

如何應(yīng)用該材料，是下一個挑戰(zhàn)。在像推進器支架這樣的錐形結(jié)構(gòu)上使用自動纖維鋪放，要求使用拖纜去牽引，從支架寬端以一個角度越過直邊，進入傾斜的錐形截面。荷蘭皇家航空航天開發(fā)的以有限元模型為指導的特殊程序，優(yōu)化了支架的制造工藝，為每個轉(zhuǎn)向?qū)由删哂惺走x纖維方向的矢量場。纖維鋪放仿真軟件將矢量場轉(zhuǎn)換為纖維鋪放機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)計中。因制造約束(如最小轉(zhuǎn)向半徑)引起的自動纖維鋪放模擬偏差被反饋到程序中。程序會下令閉合最終設(shè)計回路，這樣以便對優(yōu)化后支架的受力性能行為進行最佳預測。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科里奧利公司研發(fā)的八臺自動纖維鋪放機器，分別評估了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間進行牽引轉(zhuǎn)向研究，學習如何避免轉(zhuǎn)向可能產(chǎn)生的重疊、間隙和皺紋。

此外，格里茨說，1:3 比例設(shè)計的制造也帶來了挑戰(zhàn)。“仍無法突破在小比例設(shè)計中應(yīng)用相同的材料（如0.25英寸膠帶）和技術(shù)（如自動纖維鋪放）時的制造限制。同時，在當前制造限制下，設(shè)計出在低溫條件下負載表現(xiàn)與全尺寸相同的小尺寸推進器支架，意味著更高程度的曲率，也是個挑戰(zhàn)。”

該測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)的全尺寸版推進器支架的加強結(jié)構(gòu)蒙皮。智能搭接涉及戰(zhàn)略性地使用自動纖維鋪放來構(gòu)建一系列集成的方形網(wǎng)格加強筋。

智能搭接

推進器支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)是單獨設(shè)計和制造的，在1:3設(shè)計中包含22個縱向加強條，全尺寸設(shè)計中包含40個。全尺寸設(shè)計還設(shè)想，將每個縱向加強條都固定在具有一系列集成方形網(wǎng)格加強筋的碳纖維層壓板上。該方形網(wǎng)格加強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，自動纖維鋪放機器執(zhí)行三個基本任務(wù)。首先，鋪設(shè)一個或多個連續(xù)的碳纖維層。接下來，自動纖維鋪放系統(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)格加強筋。

操作過程中，連續(xù)的絲束被堆疊在整個方塊上，這會產(chǎn)生額外的高度和剛度，并在每個方塊的邊緣形成一個脊。隨著更多的絲束的堆疊，這條脊的高度會增加，逐漸形成明顯的方形網(wǎng)格加強筋。  格里茨說：“只要搭接有足夠的長度，就可以保持載荷轉(zhuǎn)移，但同時也增加了額外的材料厚度，增強了層壓板的抗彎剛度。”

由于1:3設(shè)計推進器支架設(shè)計中空間不足，荷蘭皇家航空航天無法在其制造的結(jié)構(gòu)中構(gòu)建網(wǎng)格加強筋，但格里茨和德芙瑞表示，他們的團隊已實現(xiàn)了在葉片加強筋之間加入了此類網(wǎng)格加強筋，制造了單曲面壓縮板。這些小型設(shè)計結(jié)構(gòu)的測試已表明，全尺寸設(shè)計通過將蒙皮的抗彎剛度增加5%，可以達到最優(yōu)的設(shè)計效果。格里茨說，通過進一步增加集成網(wǎng)格加強筋的高度，可以實現(xiàn)更高的抗彎剛度。

U 形加強條通過熱成型工藝預成型，并與隔板和縱梁加強筋一起放置在這個網(wǎng)格加固的內(nèi)蒙皮上。然后將整個內(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)計推進器支架的成功設(shè)計和制造結(jié)果來看，全尺寸設(shè)計的制造是相當有保障的。空中客車防務(wù)及航天公司與荷蘭皇家航空航天目前正在同運載火箭制造商磋商，評估復合推進器支架在下一代火箭設(shè)計中的可行性。