著名科學(xué)家在北京科技大學(xué)舉辦的“中國(guó)材料名師講壇”上講到：材料的水平?jīng)Q定著一個(gè)領(lǐng)域乃至一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展的整體水平；航空、航天、空天三大領(lǐng)域都對(duì)材料提出了極高的要求；材料科技制約著宇航事業(yè)的發(fā)展。 

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)、可靠、易于維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)及航天領(lǐng)域。而先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用情況是衡量固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體水平的重要指標(biāo)之一。在固體發(fā)動(dòng)機(jī)研制及生產(chǎn)中盡量使用高性能復(fù)合材料已成為世界各國(guó)的重要發(fā)展目標(biāo)，目前已拓展到液體動(dòng)力領(lǐng)域。科技發(fā)達(dá)國(guó)家在新材料研制中堅(jiān)持需求牽引和技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，做到了需求牽引帶動(dòng)材料技術(shù)發(fā)展，同時(shí)材料技術(shù)創(chuàng)新又推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)水平提高的良性發(fā)展。目前，航天動(dòng)力領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)總的發(fā)展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 

    作為我國(guó)固體動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)材料研究所，四十三所在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各類結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料研究及成型技術(shù)方面具有雄厚的技術(shù)實(shí)力和研究水平，突破了我國(guó)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料殼體和噴管等部件研制生產(chǎn)中大量的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)和工藝技術(shù)難關(guān)，為我國(guó)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)作出了重要的貢獻(xiàn)，同時(shí)牽引我國(guó)相關(guān)復(fù)合材料與工程專業(yè)總體水平的提高。建所以來(lái)，先后承擔(dān)并完成了通訊衛(wèi)星東方紅二號(hào)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，多種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈復(fù)合材料部件的研制及生產(chǎn)任務(wù)。目前，四十三所正在研制多種航天動(dòng)力先進(jìn)復(fù)合材料部件，研制和生產(chǎn)了載人航天工程的逃逸系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)部件。 
二、國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析 
1、國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析 
1.1結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 
    國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料采用先進(jìn)的復(fù)合材料，主要方向是采用炭纖維纏繞殼體，使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比有較大提高。如美國(guó)“侏儒”小型地地洲際彈道導(dǎo)彈三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)（SICBM-1、-2、-3）燃燒室殼體由IM-7炭纖維/HBRF-55A環(huán)氧樹脂纏繞制作，IM-7炭纖維拉伸強(qiáng)度為5300MPa，HBRF-55A環(huán)氧樹脂拉伸強(qiáng)度為84.6MPa，殼體容器特性系數(shù)（PV/Wc）≥39KM；美國(guó)的潛射導(dǎo)彈“三叉戟II（D5）”第1級(jí)采用炭纖維殼體，質(zhì)量比達(dá)0.944，殼體特性系數(shù)43KM，其性能較凱芙拉/環(huán)氧提高30% 。 
     國(guó)外炭纖維的開發(fā)自八十年代以來(lái)，品種、性能有了較大幅度改觀，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①性能不斷提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纖維為主，九十年代初普遍使用的IM7、IM8纖維強(qiáng)度達(dá)到5300MPa，九十年代末T1000纖維強(qiáng)度達(dá)到7000MPa，并已開始工程應(yīng)用；②品種不斷增多，以東麗公司為例，1983年生產(chǎn)的炭纖維品種只有4種，到1995年炭纖維品種達(dá)21種之多。不同種類、不同性能的炭纖維滿足了不同的需要，為炭纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 
     芳綸纖維是芳族有機(jī)纖維的總稱，典型的有美國(guó)的Kevlar、俄羅斯的APMOC，均已在多個(gè)型號(hào)上得到應(yīng)用，如前蘇聯(lián)的SS-24、SS-25洲際導(dǎo)彈。俄羅斯的APMOC纖維生產(chǎn)及其應(yīng)用技術(shù)相當(dāng)成熟，APMOC纖維強(qiáng)度比Kevlar高38%、模量高20%，纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率已達(dá)到75%以上。PBO纖維是美國(guó)空軍1970年開始作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料而著手研究的產(chǎn)品，具有剛性極強(qiáng)的線形伸直鏈結(jié)構(gòu)。美國(guó)Bruswick公司用抗拉強(qiáng)度為5.5GPa級(jí)的PBO纖維進(jìn)行纏繞容器的綜合研究，內(nèi)徑為250mm的球形高壓容器，實(shí)測(cè)平均爆破壓強(qiáng)91MPa，纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率86%，容器特性系數(shù)65.2KM，與抗拉強(qiáng)度為5.65GPa的T-40炭纖維纏繞容器相比（PV/W值為45.2KM），PBO性能要高31% 。 
    此外，復(fù)合材料以其質(zhì)輕的優(yōu)勢(shì)替代傳統(tǒng)的金屬材料獲得廣泛應(yīng)用，典型的有復(fù)合材料發(fā)射筒、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及各種壓力容器。 
    國(guó)外復(fù)合材料導(dǎo)彈發(fā)射筒在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)型號(hào)上廣泛采用，如美國(guó)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈MX導(dǎo)彈、俄羅斯的戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊M”導(dǎo)彈均采用復(fù)合材料發(fā)射筒。由于復(fù)合材料發(fā)射筒相對(duì)于金屬材料而言，結(jié)構(gòu)重量大幅度減輕，使戰(zhàn)略導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)靈活成為可能。在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈領(lǐng)域，復(fù)合材料導(dǎo)彈發(fā)射筒的應(yīng)用更加普遍。 
    網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究早在20世紀(jì)70年代就已開始，目前已有多種類型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域用作戰(zhàn)略導(dǎo)彈級(jí)間段，空間飛行器艙體、箭與衛(wèi)星的對(duì)接框等不同部件，如1997年美國(guó)空軍菲利普實(shí)驗(yàn)室以自動(dòng)化纏繞技術(shù)制作網(wǎng)格結(jié)構(gòu)承力部件應(yīng)用于飛機(jī)改制，加州復(fù)合材料中心將復(fù)合材料網(wǎng)格應(yīng)用于航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，日本研制的碳/環(huán)氧復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的級(jí)間段結(jié)構(gòu)成功地應(yīng)用在H1火箭上。 
    從20世紀(jì)60年代末開始，航天領(lǐng)域中以S玻璃和凱夫拉-49纖維復(fù)合的金屬內(nèi)襯輕質(zhì)壓力容器逐漸取代傳統(tǒng)的全金屬壓力容器。美國(guó)在1975年開始了輕質(zhì)復(fù)合材料氣瓶研制，采用S-玻纖/環(huán)氧、Kevlar/環(huán)氧纏繞復(fù)合材料氣瓶。隨著炭纖維性能提高及成本大幅度下降，炭纖維與低成本鋁內(nèi)襯制造技術(shù)相結(jié)合，使得費(fèi)用低、質(zhì)量輕、性能高、可靠性好的高壓容器的生產(chǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。 

1.2結(jié)構(gòu)/功能一體化材料 
    在國(guó)外動(dòng)力系統(tǒng)噴管部件已趨向全炭/炭化，入口段與喉襯采用整體式多維炭/炭編織物，出口錐用炭/炭材料或碳布帶纏繞制成，延伸噴管技術(shù)相當(dāng)成熟。喉襯材料方面，國(guó)外高性能慣性固體發(fā)動(dòng)機(jī)、星系固體發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)，幾乎全部采用3D、4D炭/炭復(fù)合材料喉襯。炭/炭擴(kuò)張段主要應(yīng)用于宇航發(fā)動(dòng)機(jī)及戰(zhàn)略導(dǎo)彈上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。如美國(guó)研制的Star系列宇航發(fā)動(dòng)機(jī)炭/炭擴(kuò)張段，及MX導(dǎo)彈第三級(jí)采用炭/炭擴(kuò)張段和二維延伸的炭/炭延伸錐，三叉戟D5潛地戰(zhàn)略固體導(dǎo)彈第二級(jí)采用了可延伸的炭/炭延伸錐。法國(guó)研制的炭/炭擴(kuò)張段應(yīng)用于西歐遠(yuǎn)地點(diǎn)助推發(fā)動(dòng)機(jī)MageII號(hào)。俄羅斯炭/炭擴(kuò)張段出口直徑達(dá)1.5m，出口厚度2.8mm，已應(yīng)用于“起點(diǎn)一號(hào)”運(yùn)載火箭上面級(jí)等眾多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)。八十年代中期，法國(guó)SEP公司開發(fā)了厚度方向有炭纖維增強(qiáng)的在Novoltex 炭/炭擴(kuò)張段、延伸錐技術(shù)。美國(guó)侏儒導(dǎo)彈第三級(jí)的炭/炭擴(kuò)張段和延伸錐、雅典娜(Athena) 運(yùn)載火箭慣性發(fā)動(dòng)機(jī)Orbus 21 HP、波音公司運(yùn)載火箭Delta-III的第二級(jí)（RL10B-2）和Ariane 4運(yùn)載火箭上面級(jí)液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)HM7使用了SiC涂層的Novoltex 炭/炭擴(kuò)張段。 
2、國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析 
2.1結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 
    國(guó)內(nèi)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體已成功采用玻璃纖維及芳綸纖維。航天四十三所還配合有關(guān)部門進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)芳綸纖維初步性能研究，有待于進(jìn)一步加強(qiáng)工藝應(yīng)用研究。四十三所在炭纖維復(fù)合材料殼體研究方面進(jìn)行了大量的預(yù)先研究工作，進(jìn)行了φ1400mm、φ2000mm炭纖維殼體研制。與國(guó)外相比，主要差距有：APMOC纖維依賴進(jìn)口，應(yīng)用中纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率較低；高性能炭纖維未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，應(yīng)用受到限制；殼體工藝控制手段不先進(jìn)；目前尚沒(méi)有型號(hào)應(yīng)用炭纖維纏繞的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。 
在PBO纖維應(yīng)用研究方面，航天四十三所進(jìn)行了初步的探索性研究，在PBO纖維表面處理、PBO纖維適應(yīng)的樹脂配方研究等工作都已取得了較大的進(jìn)展。但與國(guó)外相比，存在著基礎(chǔ)應(yīng)用研究不多、原材料依賴進(jìn)口的缺點(diǎn)。 
    國(guó)內(nèi)在輕質(zhì)復(fù)合材料應(yīng)用上也開展了相關(guān)研究。在復(fù)合材料發(fā)射筒研究方面，航天四十三所及哈爾濱玻璃鋼制品研究所進(jìn)行了XX系列導(dǎo)彈發(fā)射筒的研制，已成功地進(jìn)行了多種地面試驗(yàn)和實(shí)彈發(fā)射考核。在飛航導(dǎo)彈復(fù)合材料發(fā)射筒研制方面，航天科工集團(tuán)三院研制了長(zhǎng)5.45m,內(nèi)徑502mm的導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射筒。航天四十三所、哈爾濱玻璃鋼制品研究所等單位進(jìn)行了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)材料初步應(yīng)用研究，43所同時(shí)針對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)纏繞成型的特點(diǎn)開發(fā)了纏繞軟件。上述工作為大型主承力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。總體說(shuō)來(lái)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究主要集中于理論方面，需加強(qiáng)復(fù)合材料主承力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究，以提高我國(guó)空間飛行器的性能，縮短在該技術(shù)上與國(guó)外的差距。 
    四十三所多年來(lái)一直從事復(fù)合材料壓力容器研究工作，從早期的玻璃纖維壓力容器，Kevlar-49壓力容器到F-12芳綸纖維及炭纖維壓力容器，性能一直處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，S-Ⅱ玻璃纖維壓力容器的PV/W值達(dá)到20km， F12芳綸纖維PV/W為38km，T700炭纖維PV/W為40km。在金屬內(nèi)膽壓力容器研制方面，成功地進(jìn)行了DFH-4衛(wèi)星平臺(tái)用50L炭纖維高壓復(fù)合材料氣瓶纏繞研制工作，已進(jìn)入正樣階段。此外，航天四十三所還成功研制了宇航員生命保障系統(tǒng)用容器和多種環(huán)形及異形容器，在上述研究的基礎(chǔ)上，將相關(guān)產(chǎn)品已應(yīng)用到衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和軍用飛機(jī)上，具有十分重要的意義。 
2.2結(jié)構(gòu)/功能一體化材料 
    喉襯材料一直是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料應(yīng)用研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。近20年來(lái)，炭/炭復(fù)合材料喉襯的研制和應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，航天四十三所于70年代末期建立起了Φ650mm的氈基炭/炭喉襯研制生產(chǎn)線，80年代初又掌握了4D 炭/炭喉襯研制工藝技術(shù)，通過(guò)工藝攻關(guān)，基本具備了大型戰(zhàn)略導(dǎo)彈SRM各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯預(yù)成型體編織，CVD均熱法、熱梯度法，高壓浸漬炭化，高溫石墨化工藝的研制條件。四十三所研制了與國(guó)際水平同步發(fā)展的各種類型炭/炭喉襯材料，其中4種炭/炭喉襯材料性能已達(dá)到同類材料的國(guó)際先進(jìn)水平。 
    噴管擴(kuò)張段、防熱環(huán)技術(shù)是我國(guó)SRM技術(shù)中與國(guó)外差距大的項(xiàng)目，大約落后20年左右，嚴(yán)重制約著我國(guó)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)大型噴管擴(kuò)張段/延伸段結(jié)構(gòu)件材料目前主要采用采用炭/酚醛、高硅氧/酚醛復(fù)合纏繞絕熱層及玻璃纖維/環(huán)氧纏繞結(jié)構(gòu)層，耐溫性與剛度比較低，限制了噴管熱防護(hù)材料的進(jìn)一步發(fā)展，研制耐高溫輕質(zhì)的噴管結(jié)構(gòu)材料成為必要。航天四十三所已開展多項(xiàng)輕質(zhì)炭/炭擴(kuò)張段預(yù)先研究，先后成功通過(guò)固體及液體發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車，承擔(dān)的“863項(xiàng)目”研制的不同規(guī)格的炭/炭延伸段已先后多次成功通過(guò)液體發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車，為航天動(dòng)力系統(tǒng)的輕質(zhì)化奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。 
三、問(wèn)題及建議 
1、原材料研究滯后阻礙了高性能復(fù)合材料研制的步伐 
    如我國(guó)在“九?五”期間開發(fā)的國(guó)產(chǎn)芳綸纖維，盡管其抗拉強(qiáng)度已達(dá)到4470MPa，但該纖維存在工藝性較差、制作的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。目前航天動(dòng)力用炭纖維復(fù)合材料均為進(jìn)口炭纖維，多為日本東麗公司的炭纖維，國(guó)產(chǎn)炭纖維原絲質(zhì)量不穩(wěn)定，纖維強(qiáng)度較低且離散性較大。PBO增強(qiáng)復(fù)合材料是未來(lái)先進(jìn)復(fù)合材料主要發(fā)展方向之一，可我國(guó)的PBO纖維至今完全依賴進(jìn)口。制備C/SiC復(fù)合材料的先驅(qū)體樹脂陶瓷產(chǎn)率低。 
    從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，建議國(guó)家投入經(jīng)費(fèi)，應(yīng)加強(qiáng)高性能原材料工業(yè)化力度，大幅提高性能，擴(kuò)大規(guī)模，降低成本。從而降低軍用復(fù)合材料成本。 
2、需要進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究 
    復(fù)合材料經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展歷程，現(xiàn)已基本自成體系，無(wú)論在原材料、構(gòu)件成型，還是工程應(yīng)用等方面，國(guó)內(nèi)外都已形成規(guī)模。但是，就國(guó)內(nèi)目前的現(xiàn)狀看來(lái)，幾十年的發(fā)展對(duì)于一種高新材料而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展、使用條件的提高，所產(chǎn)生的高性能、低成本、多功能要求，有待于開展更廣泛、更深入地研究。 
    建議今后復(fù)合材料領(lǐng)域的研究工作計(jì)劃圍繞以下幾方面展開：高性能復(fù)合材料進(jìn)一步研制；復(fù)合材料低成本化研究；復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)和性能的研究與控制；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及工藝過(guò)程控制研究。 
3、進(jìn)一步提高制造技術(shù)和制造工藝 
    盡管我國(guó)有許多材料的水平已接近甚至達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但由于材料應(yīng)用技術(shù)水平落后，制造工藝和制造技術(shù)差，造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的性能差。因此，需要重視提高應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)先進(jìn)制造工藝和制造技術(shù)。 
四、結(jié)束語(yǔ) 
    在航天動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，先進(jìn)復(fù)合材料起著重要的作用。當(dāng)前，復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展，使研制和應(yīng)用高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化的高溫?zé)g防熱材料成為可能，先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)將給動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能獲得新的飛躍。將對(duì)我國(guó)武器裝備的快速進(jìn)步、航天事業(yè)的飛躍發(fā)展具有舉足輕重的作用。