新材料在军用航空航天领域发展态势总结及趋势展望
军工行业,是指涉及武器装备科研、生产、配套的相关行业。军工行业是国防经济的核心和国防力量的重要组成部分,具有系统复杂、综合性强、技
击精度高、运行速度快、射程远、威力大、可实现纵深目标打击等特性,在现代化战争中发挥着愈来愈重要的作用。导弹由瞄准/制导系统、飞行系统、发动机和弹头(战斗部)四个系统组件组成,在战争中由装甲设备、发射车、发射井、飞机、舰船、潜艇等装备作为载具与发射平台,起到直接杀伤军事目标的效果。导弹的分类方法繁多,按飞行方式分类,可分为弹道导弹与巡航导弹;按作战任务分类,可分为战略导弹与战术导弹;按射程分类,可分为洲际导弹、远程导弹、中程导弹与短程导弹。我国实战化军事演练已实现常态化,导弹训练弹与靶弹的使用有效地降低了国防训练成本。导弹训练弹复刻对应实弹的尺寸重量、气动外形与制导系统等特征,二者最大的区别为训练弹不含战斗部。训练弹的动力装置也与实弹存在差异,它可以在距目标一定距离时自动减速制动,关键零部件回收后可重复使用。
C、火箭
火箭是依靠火箭发动机提供推进力的飞行器。它自身携带全部推进剂,不依赖空气或其他工作介质产生推力,可以在稠密大气层内外飞行,是实现航天飞行的运载工具。按照动力能源,火箭还分为化学能火箭、电能火箭、核能火箭、太阳能火箭及光子火箭等。其中,化学能火箭是最常用的类型,它又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭。火箭的基本组成部分有推进系统、箭体结构和有效载荷。推进系统是火箭飞行的动力源,主要由火箭发动机、燃烧剂箱、氧化剂箱等组件组成;箭体结构的作用是装载火箭的所有部件,使之组合为一个整体,通常由有效载荷整流罩、仪器舱、推力结构、尾翼等组件组成;有效载荷指火箭所要运送的物体,军用火箭的有效载荷是战斗部,科学研究火箭的有效载荷是各种精密仪器,运载火箭的有效载荷则是各种航天器。火箭发动机可以在离地面任意高度上工作,是目前航天飞行唯一的动力装置。火箭发动机包括发动机、燃料或推进剂、输送燃料或推进剂的系统以及其他附件、仪表、安装支架等,要求特殊的材料、结构形式和冷却措施来保证其在高温、高压和高飞行速度的恶劣条件下可靠工作。
②复合材料在军用航天领域应用的发展趋势
在导弹与运载火箭上,碳纤维复合材料被大量使用于导弹弹头、壳体、发射筒与火箭助推器、防护罩、发动机壳体等结构部件,可以减轻结构质量,加大射程并提高落点的精确度。以固体发动机战略导弹为例,一、二、三级发动机壳体每减轻结构质量1kg,将相应地增加射程0.6km、3.0km 和16.0km。碳/碳和碳/酚醛复合材料是弹头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等的重要防热材料,在烧蚀过程中保有优异的热力学性能,维持良好的气动外形,减少非制导误差。
例如,美国 MX 战略导弹的发射筒长22.4m、直径2.5m,选用碳纤维/环氧树脂复合材料时的结构质量仅为21吨,较采用高强度钢时的结构质量减轻超80%。我国陆基洲际导弹东风-31弹头使用了碳纤维增强复合材料,潜射洲际弹道导弹巨浪-Ⅱ的发动机喷管采用的是碳-碳复合材料。
此外碳纤维复合材料作为美国、日本以及法国研制固体发动机时的主要选择,在美国“三叉戟”-2导弹、“战斧”式巡航导弹、“大力神”-4 火箭、法国的“阿里安娜 2”型火箭、日本的M-5火箭等发动机壳体上皆能寻觅到它的身影。
此外,碳纤维复合材料常用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。卫星结构中主要采用具有一定强度的高模量碳纤维复合材料,在大幅度减轻卫星结构质量的同时,其良好的尺寸稳定性可以满足卫星在太空环境中对材料热膨胀系数的特殊要求。
(3)行业市场规模
我国军用航空航天市场保持持续增长的态势。随着我国军用飞机、导弹、运载火箭、卫星在基础技术、产品谱系与产业体系等方面的建设不断完善,我国航空航天应用技术不断突破,促进行业市场规模稳步提升。根据中研普华研究院发布数据,2019-2021 年我国航空航天市场规模分别达到了 7,894 亿元、8,340 亿元和 8,933 亿元,复合增长率达 6.38%。
复合材料在航空航天装备领域占有极为重要的地位,涵盖热结构、防热、透波、隔热、结构等多个材料体系,可以满足航空航天装备对超轻质、高强韧、抗冲击等结构一体化的要求,而其中最有代表性的是碳纤维复合材料,具有比强度和比刚度高、性能可设计、易于整体成型等诸多优异特性,是支撑航空航天科技发展的关键材料。
根据 Research And Markets 发布的市场分析报告,预计全球航空航天复合材料在 2020-2025年间复合年增长率为10.5%,到2025年,全球航空航天复合材料市场规模预计将达到410亿美元。根据赛奥碳纤维发布的市场报告,2018-2021年期间,我国航空航天领域树脂基碳纤维复合材料需求量从1,538吨增长到3,077吨,复合增长率达到26.01%,销售收入从107.69亿元增长到215.38亿元,复合增长率达25.99%,均保持了较高的增长势头。
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