一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法技术

本发明专利技术涉及一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，通过将热固性树脂溶液沉积在增强相纤维表面，得到一个刚性体结构，解决低密度质软三维纤维结构整体成型易变形难题；再采用酚醛树脂真空辅助浸渍增强相，得到纤维骨架结构，提高了整体成型防热结构的力学性能，避免整体成型防热头罩产品结构失稳风险；最后整个防热头罩坯件内生成多孔酚醛树脂气凝胶结构，使材料具备隔热性能，实现了大尺寸返回式飞船防热头罩整体成型，获得的防热头罩结构，尺寸精度优于2mm；密度均匀可控，密度均匀性在±0.02g/cm

A Whole Forming Method of Return Spacecraft Heat-proof Head Cover

【技术实现步骤摘要】
一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法
本专利技术涉及一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，属于返回式飞船热防护

技术介绍
返回式飞船在再入飞行过程，需经历高热流冲刷，返回式飞船外表面须有可靠、耐冲刷的热防护系统，确保对航天器内部的设备、人员的保护。随着深空探测技术的不断开展，针对第二宇宙飞行速度的热流环境，要求热防护系统表面烧蚀层不能开裂、脱落，对表面的结构稳定性和完整性要求更高，对热防护系统的轻量化提出更高要求。国外航天飞机多采用大量、低密度的隔热瓦拼接而成，这种拼接方式存在结构稳定性差、安全性差、装配复杂、研制周期长等问题。为解决拼接成型带来的不足，急需研制低密度、尺寸精度控制性好、整体成型的防热结构成型工艺方法。返回式飞船顶部头罩为大尺寸、低密度的半球+锥回转体结构(见图1)。构型复杂、尺寸大、高精度一体化成型困难，目前现有成型方法多采用分块成型，再整体拼接成型工艺方法，无法实现整体成型。
技术实现思路
为了第二宇宙速度返回式飞船顶部半球+锥回转体结构的防热头罩整体成型难题，本专利技术提供一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，获得的防热头罩结构，尺寸精度优于2mm；密度均匀可控，密度均匀性在±0.02g/cm3；密度值具备可设计性，可设计范围在0.27～0.40g/cm3。本专利技术目的通过如下技术方案予以实现：提供一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，包括如下步骤：步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液；在每个纤维层表面喷涂热固性树脂溶液；步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在加工的头罩坯件成型工装上完成头罩的三维网络多孔结构整体成型；头罩成型工装为密封腔体，设置用于承托三维网络多孔结构的托盘；步骤3：三维网络多孔结构树脂涂层进行高温凝胶反应形成头罩坯件；步骤4：头罩维形工装上放置导气隔离材料(2)，然后放置头罩坯件，凹面放置导胶隔离材料(5)并封真空袋(6)；步骤5：将酚醛树脂与醇类或者脂类溶剂配置含胶量5～50％的酚醛溶液；步骤6：将步骤4封好的头罩维形工装及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压2h后，将步骤5配置好的酚醛溶液导入到头罩坯件内；步骤7：关闭注胶接口，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；步骤8：将所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将头罩坯件与头罩维形工装分离；步骤9：将头罩坯件放入头罩成型工装内，进行溶液-凝胶反应，完成防热头罩的刚性骨架结构成型；步骤10：将酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例混合均匀形成反应物溶液；步骤11：将步骤9形成的刚性骨架结构装入头罩成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤10配置好的反应物溶液导入成型工装内，静止2h，完成头罩刚性骨架的完全浸润；步骤12：将步骤11完成浸润的头罩刚性骨架、反应物溶液以及头罩成型工装整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；步骤13：将含有多孔酚醛树脂结构的骨架结构取出，进行表面清理；步骤14：将清理后的防热头罩坯件放入清理后的头罩成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成防热头罩坯件成型。优选的，所述三维网络多孔结构整体成型采用三维针刺或三维编织成型技术整体成型。优选的，步骤3中的高温凝胶反应具体为三维网络多孔结构加热到80℃～200℃，保温4h～48h，采用托盘支撑。优选的，所述头罩维形工装的内型面与头罩坯件的外形型面一致，型面精度优于头罩的外形型面精度；维形工装底部即回转体的转轴下部设有至少一个注胶接口。优选的，头罩维形工装进行耐高温测试和气密性测试；要求能耐200℃以上高温，产品型面区域的气密性要求真空保压10分钟内压力变化值小于0.01Mpa。优选的，所述托盘采用镂空结构，防隔热材料被覆盖面不大于外表面30％区域。优选的，头罩成型工装进行高温保压测试，合模后保证高温150℃～250℃，真空度不大于0.02MPa，保压2h以上。优选的，酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例为20:1:3.7。优选的，步骤14后还包括步骤15：按照防热头罩最终尺寸采用大型车铣加工设备，完成防热头罩外形尺寸加工。优选的，头罩包括半球面及与半球切线连接的锥面回转体，半球面半径在SR500mm～SR2000mm，锥面回转体锥角不小于20°，头罩总高度尺寸不大于2m，壁厚在20～100mm范围。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术实现了大尺寸返回式飞船防热头罩整体成型，获得的防热头罩结构，尺寸精度优于2mm；密度均匀可控，密度均匀性在±0.02g/cm3；密度值具备可设计性，可设计范围在0.27～0.40g/cm3。(2)本专利技术在热固性树脂溶液沉积在表层纤维形成刚性层，提高了纤维表面的刚性，为整个大尺寸头罩结构提供了刚性支撑，解决了成型过程易变形、尺寸精度控制难度大问题。在后续过程中无需对头罩坯件进行额外的柔性防护，操作便捷。(3)本专利技术生成头罩刚性骨架结构，提高了防热材料的力学性能，可以承担部分结构载荷。(4)本专利技术采用真空浸胶的方式能够使溶液更充分地填充多孔结构，提高防热材料成型质量。附图说明图1(a)为半球及锥回转体防热头罩俯视图；图1(b)为半球及锥回转体防热头罩侧向视图；图2为返回式飞船防热头罩整体成型工艺流程；图3为实施例1防热头罩产品尺寸图；图4为头罩坯件与头罩维形工装合模示意图；图5为图4中A部分的局部视图；其中1-密封面、2-头罩维形工装、3-薄膜隔离材料、4-头罩坯件、5-导气毡被、6-真空袋膜。具体实施方式如图1所示，本专利技术的载体为返回式飞船的半球+锥回转体防热头罩。根据防热头罩结构尺寸进行坯件结构尺寸设计，增加厚度余量，在头罩的开口端面水平延伸出环形定位端面；根据设计的防热头罩设计头罩维形工装和头罩成型工装；所述再设计指按照产品理论尺寸，设计便于成型操作和为保证尺寸精度的工艺区，采用但不限于增大尺寸、增加构型设计方面进行产品坯件尺寸增大设计；结合图图4-5，所述维形工装2的内型面与头罩坯件4的外形型面一致，型面精度优于头罩的外形型面精度；维形工装2底部即回转体的转轴下部设有至少一个注胶接口，每个注胶接口通过阀门控制密闭性，维形工装2上部外轮廓设有端面略大于环形定位端面外形。头罩成型工装为密封腔体，内部设置用于承托防隔热材料的托盘；托盘采用镂空结构，防隔热材料被覆盖面不大于外表面30％区域。所加工的头罩维形工装2进行耐高温测试和气密性测试；工装要求能耐200℃以上高温，产品型面区域的气密性要求真空保压10分钟内压力变化值小于0.01MPa；头罩成型工装进行高温保压测试。所述头罩成型工装指采用分模设计，保证工艺再设计尺寸的防热头罩结构能顺利装入成型工装容腔内，产品区域与工装内腔不接触，通过工艺区接触与支撑。工装合模后保证高温150℃～250℃，真空度不大于0.02MPa，保压2h以上，具备溶液通路和导气通路。所述防热材料为低密度防热材料，密度为0.2～0.9g/cm3；可成型半球+锥回转体结构防热头罩尺寸包含：半球体半径在SR500mm～SR2000mm范围、锥角不小于20°、总高度尺寸不大于2m、壁厚在20～100mm范围。具体整体成型工艺流程见图2，包括以下步骤：步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液，使用醇类或脂类溶剂进行稀释，搅拌均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液；在每个纤维层表面喷涂热固性树脂溶液；步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在加工的头罩坯件成型工装上完成头罩的三维网络多孔结构整体成型；头罩成型工装为密封腔体，设置用于承托三维网络多孔结构的托盘；步骤3：三维网络多孔结构树脂涂层进行高温凝胶反应形成头罩坯件；步骤4：头罩维形工装上放置导气隔离材料(2)，然后放置头罩坯件，凹面放置导胶隔离材料(5)并封真空袋(6)；步骤5：将酚醛树脂与醇类或者脂类溶剂配置含胶量5～50％的酚醛溶液；步骤6：将步骤4封好的头罩维形工装及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压2h后，将步骤5配置好的酚醛溶液导入到头罩坯件内；步骤7：关闭注胶接口，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；步骤8：将所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将头罩坯件与头罩维形工装分离；步骤9：将头罩坯件放入头罩成型工装内，进行溶液‑凝胶反应，完成防热头罩的刚性骨架结构成型；步骤10：将酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例混合均匀形成反应物溶液；步骤11：将步骤9形成的刚性骨架结构装入头罩成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤10配置好的反应物溶液导入成型工装内，静止2h，完成头罩刚性骨架的完全浸润；步骤12：将步骤11完成浸润的头罩刚性骨架、反应物溶液以及头罩成型工装整体加热，完成溶胶‑凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；步骤13：将含有多孔酚醛树脂结构的骨架结构取出，进行表面清理；步骤14：将清理后的防热头罩坯件放入清理后的头罩成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成防热头罩坯件成型。...

【技术特征摘要】
1.一种返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液；在每个纤维层表面喷涂热固性树脂溶液；步骤2：采用步骤1处理后的纤维层在加工的头罩坯件成型工装上完成头罩的三维网络多孔结构整体成型；头罩成型工装为密封腔体，设置用于承托三维网络多孔结构的托盘；步骤3：三维网络多孔结构树脂涂层进行高温凝胶反应形成头罩坯件；步骤4：头罩维形工装上放置导气隔离材料(2)，然后放置头罩坯件，凹面放置导胶隔离材料(5)并封真空袋(6)；步骤5：将酚醛树脂与醇类或者脂类溶剂配置含胶量5～50％的酚醛溶液；步骤6：将步骤4封好的头罩维形工装及真空袋，通过真空软管接真空泵设备，抽真空，保压2h后，将步骤5配置好的酚醛溶液导入到头罩坯件内；步骤7：关闭注胶接口，真空泵持续抽压，50～80℃持续加热，完成溶剂干燥；步骤8：将所用的真空袋、导胶隔离材料拆除，将头罩坯件与头罩维形工装分离；步骤9：将头罩坯件放入头罩成型工装内，进行溶液-凝胶反应，完成防热头罩的刚性骨架结构成型；步骤10：将酚醛树脂、催化剂、偶联剂按比例混合均匀形成反应物溶液；步骤11：将步骤9形成的刚性骨架结构装入头罩成型工装内，工装合模，并抽真空，保压一段时间后，将步骤10配置好的反应物溶液导入成型工装内，静止2h，完成头罩刚性骨架的完全浸润；步骤12：将步骤11完成浸润的头罩刚性骨架、反应物溶液以及头罩成型工装整体加热，完成溶胶-凝胶反应，形成多孔酚醛树脂结构；步骤13：将含有多孔酚醛树脂结构的骨架结构取出，进行表面清理；步骤14：将清理后的防热头罩坯件放入清理后的头罩成型工装，合模形成真空系统，进行溶剂烘干处理，完成防热头罩坯件成型。2.如权利要求1所述的返回式飞船防热头罩整体成型工艺方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璇，宁旭东，张明，黎昱，关鑫，张鹏飞，郑建虎，孙天峰，刘佳，陶积柏，宫顼，张玉生，赖小明，凡炼文，梁凯，白远，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11