固体火箭发动机是导弹飞行的动力装置，无论是质量还是体积，固体火箭发动机都占据了整个导弹的绝大部分。对于小型战术导弹而言为了提高射程常需要增加续航段发动机，此发动机喷管一般由大长径比的复合材料尾管绝热层、喉衬与扩张段三部分组成，它是发动机的能量转换装置，在工作时需要直接承受燃烧室产生的高温、高压和高速燃气的作用。续航段发动机喷管中由于尾管绝热层具有长度大、直径小、工作时间长等特点，所以对其可靠性与制造工艺提出了很高的要求。
本文介绍了一种大长径比复合长尾管的整体成型工艺过程，以碳纤维织物/钡酚醛树脂作为内部耐烧蚀层，外部以高硅氧玻璃布/钡酚醛树脂作为隔热层，采用复合缠绕气压釜固化的工艺方法使产品具有良好的耐烧蚀、抗冲刷性能。同时根据此长尾管直径小，绝热层、喉衬、扩张段粘接困难、可靠性低的特点，将喉衬/扩张段组件缠绕在尾管绝热层内可以提高产品的可靠性。
2 材料选择
2.1 复合材料尾管绝热层增强材料
如表1所示，在所有高性能纤维材料中碳纤维的热膨胀系数最小，热传导系数高，它具有优异的耐烧蚀性能。因此本文采用碳纤维平纹布作为耐烧蚀增强材料。表2给出了此种碳布的主要性能指标。
对于复合材料尾管绝热层而言，为了保护外部的金属壳体需要采用绝热性、抗冲刷性较好的高硅氧/酚醛胶带进行缠绕。高硅氧布中SiO2含量大于96%，在高温下熔融的SiO2形成粘度较大的液体有利于抵抗气流的冲刷，保护烧蚀层，减小材料的烧蚀率。本文中使用的高硅氧布性能满足GJB1594-1993要求【2】。
2.2 复合材料尾管绝热层树脂基体
酚醛树脂成本低廉、成型工艺简单、力学性能与耐烧蚀性能优良，在航天与航空领域具有广泛的应用。其中又以钡酚醛树脂性能最好，该树脂分子量小，粘度低，固化时放出的低分子物少，适合低压成型工艺。因此本文选择钡酚醛树脂作为增强织物的树脂基体，钡酚醛树脂性能满足GJB1331-1991要求【3】。
3 产品设计与制作
3.1 模具设计【4，5】
此复合长尾管由内层碳布/酚醛耐烧蚀层、外层高硅氧布/酚醛绝热层、碳/碳喉衬与钨渗铜喷管组件构成，结构如图1所示。
根据设计要求，为了保证喷管的可靠性需要将喉衬/喷管组件缠绕在碳布/酚醛耐烧蚀层内。由于尾管绝热层属于大长径比结构，喷管喉部直径只有10mm，为了使喉衬/喷管组件在缠绕芯模上能够安装到位必须设计一个“锥形堵头”，通过“锥形堵头”的挤压作用将喉衬/喷管组件固定在缠绕芯模上，“锥形堵头”与芯模之间通过螺纹连接并在端面用螺母拧紧。缠绕前将处理好的喉衬/喷管组件、“锥形堵头”依次从缠绕模具小端装入，然后用垫片、螺母从端面慢慢旋紧到位既可，完成装配后的缠绕模具如图2所示。
3.2 布带缠绕设计
布带缠绕工艺设计主要包括胶带制备及质量指标控制、缠绕成型方式设计和缠绕工艺参数设计三方面。碳布与高硅氧布经浸渍酚醛树脂后需要再经过烘干、裁剪、晾晒、导盘等工序，其胶带的质量控制指标主要有挥发份含量、含胶量、（不）可溶性树脂含量。挥发份主要包括空气中的水份、溶剂、酚醛树脂缩聚反应时释放出的水和低分子物（如残存的甲醛和游离酚）。挥发份是制品产生空隙造成性能下降的主要原因。在布带缠绕工艺中，若挥发份高则胶布层间渗透性好，层间粘着牢固；但挥发份过高，又会造成胶布带发粘增加了缠绕操作困难；挥发份过低则胶布发硬，胶布带之间不能紧密粘合，产品固化后易出现分层的缺陷。
含胶量对产品层间强度影响较明显，酚醛树脂层压板力学性能实验表明，树脂含量在35%以上时，层压板力学性能随含胶量增加而略微降低。树脂含量在25%以下时，层压板力学性能随含胶量降低大幅下降。对于耐烧蚀复合材料而言，在烧蚀过程中树脂基体一方面受热分解放出大量气体，气流带走热量起到冷却作用；另一方面树脂热解后形成坚固的碳化层，可以保护增强材料不被气流冲刷。因此适当增加树脂含量可以提高复合材料的烧蚀性能。
（不）可溶性树脂含量表示胶带烘干过程中树脂的预固化程度，它影响后续工艺中胶带的软化温度和流动性。不同的产品成型工艺或不同气候条件，对胶带的（不）可溶性树脂含量有不同的要求。不溶性树脂含量较低时，胶带较软，缠绕时便于胶带粘牢缠紧。但不溶性树脂含量过低，胶带的工艺操作性变差，不利于缠绕。
缠绕成型中对于直柱段采用“大进给快爬”的方式从锥形堵头根部向模具大端缠绕，缠绕至厚度达到产品要求即可，在锥段则采用“小进给密实”缠绕方式以保证胶带与模具型面的贴合。在缠绕过程中工艺参数及参数控制范围视具体缠绕情况而定，一般内层胶带缠绕张力略大于外层，胶带张力基本采取20N~40N/cm的原则，在缠绕过程中视胶带的干、湿情况可以对进行胶带辅助加热，保证层间处于良好的粘合状态。
3.3 固化工艺设计
布带缠绕制品可以采用气压釜与液压釜固化两种固化方式【6】。气压釜固化采用气体加压的方式，压力较低，一般在3MPa以下，成型后的布带缠绕制品有可能出现内表面不平整局部存在凹坑的现象。液压釜则采用软化水作传热、加压介质，固化成型压力较高，最大可以达到8MPa左右，成型后产品内型面致密光滑，能很好的发挥织物的整体耐烧蚀、耐冲刷性能，但液压釜固化成本较高。根据本产品的结构特点与尺寸，最终选择气压釜作为此长尾喷管的固化方式。固化包装示意图如图3所示。
酚醛树脂在固化过程中释放出低分子挥发物，需真空系统将其抽去，因此要求对缠绕件包封并保证固化过程中不发生真空泄漏。由于此长尾管绝热层直柱段直径较小，为了减小产品固化后的起皱量，只能将真空气嘴安放在模具小端端面。产品包装时首先在毛坯表面包覆一层有孔膜和吸胶毡，然后将产品毛坯装入由真空膜与密封胶条制成的“真空袋”中，抽真空进行检漏，当真空度在-0.088MPa以上，并维持5min后不下降则认为气密性良好，方可进气压釜固化。固化时按设定好的工艺曲线严格操作。
固化机加以后的产品实物如图4所示，从图中可以看出固化以后的产品内外型面光滑、平整，小端碳层起皱较小、厚度满足设计要求，喉衬与喷管组件在尾管绝热层中的定位准确，粘结牢固。
4 结论
对长尾管绝热层的高硅氧/酚醛和碳布/酚醛随炉试样分别进行了氧乙炔烧蚀试验，烧蚀结果表明高硅氧/酚醛试样的线烧蚀率≤0.15mm/s，碳布/酚醛试样的线烧蚀率≤0.10mm/s，产品性能与成型方案满足设计要求。与传统的分组件粘接成型工艺相比采用绝热层、喉衬与喷管的整体缠绕成型工艺保证了复合材料尾管绝热层、喉衬与喷管的整体可靠性，提高了产品的抗冲刷性能。
