平流层飞艇囊体用材料的研究

平流层飞艇囊体用材料的研究

2011011743 分1 黄浩

一、背景

平流层飞艇是一种利用低密度气体来提供升力，并能在平流层长时间悬浮或低速机动飞行的飞行器，是集高空观察、通信于一体的通用航天器平台。它具有滞空时间长、飞行高度高、覆盖范围广、生存能力强、制造和运行维护费用低等优点，具有极高的军事应用价值。美国、日本、韩国和欧盟等都将其作为空间战略目标予以高度重视，并相继开展了平流层平台可行性研究论证及相关飞行验证试验，我国也陆续启动平流层飞艇平台的科研项目。

由于平流层飞艇不是低空飞艇，在研制的许多概念上，如工作环境、蒙皮材料、能源、动力推进等关键技术上都是截然不同于低空飞艇，许多方面临着极大的挑战。其中最首要的问题是飞艇的材料。而囊体材料作为飞艇的主体结构材料，其性能的高低直接影响飞艇的应用效能，如驻空高度、持续飞行时间、有效载荷和服役寿命等。

二、材料要求

1. 强度要高，因为材料强度取决于飞艇的体积，对于平流层飞艇而言，蒙皮材料的抗拉伸断裂强度应大于300 N/cm2。

2. 质量要轻，面密度应小于300g/ m2，如果材料的面密度过高，飞艇的净浮力就会受到极大的丧失，难以升到平流层高度。

3. 耐环境（耐候性）性能要好，环境因素包括高低温、湿度、超强紫外线辐射、耐臭氧等；囊体材料的各项性能在平流层温度（－56.5℃左右）下能够长时间保持不变，至少不会发生突变。

4. 阻氦气渗漏性能强，不论平流层飞艇采用氢气或氦气为浮升气体，都需长期工作，阻氦气渗漏性能显得十分非常重要，平流层飞艇蒙皮材料阻氦气渗漏性能应为0.22 L/

m2.d.A~ 1.14L/m2.d.A

5. 其它性能，如抗皱折、为保持飞艇外型所需的抗蠕变性能、缝合工艺性及易于修补性能都应当优良。如果用到军事领域，雷达隐身性能也是非常关键的一个因素。

三、材料选择及依据

目前，用于平流层飞艇囊体材料的主要是层压复合材料，包括承力层、气密层和防护层，各层利用胶黏物质黏接起来，形成一个整体。如图1 所示。

图1 平流层飞艇囊体材料结构简图

（1）承力层

载荷承力层是承受飞艇内外压差、飞艇自重和载重并确保囊体材料强度的功能层，是囊体材料的核心层。其选材从早期的棉、麻等天然材料，逐渐过渡到尼龙、聚酯等合成纤维，到现在正在逐渐被高性能纤维所替代，如Dyneema R（高强聚乙烯纤维）、Kevlar R（对位芳纶）、V ectran R（聚芳酯纤维）和Zylon R（基龙，PBO）等。V ectran优点是可从商用渠道购置。PBO 材料主要特点是能减轻系统质量，此外，PBO还有超过所有其他纤维的比强度和比刚度值，拉伸强度在1500N/cm2左右，200μm厚度的PBO面密度小于90 g/m2，并有特别高的热稳定性，使用温度可达700℃。

（2）气密层

气密层既可以是一个涂层，即使用布基织物涂覆气密性树脂，也可能仅仅是一层薄膜。在早期，所有材料都需要进行涂覆以隔离气体，随着层压技术的不断发展，气密层逐步演化为一层薄膜。气密层除了要具备低渗透率以外，还应拥有较好的剪切强度、抗拉强度，以与其他材料的性能相匹配，增强层压板的整体硬度。

气密层的常用材料有Tedlar（PVF，聚氟乙烯）、PVDF（聚偏二氟乙烯）、PVDC（聚偏二氯乙烯）、EVOH（乙烯-乙烯醇共聚物）、Mylar（聚酯类）等。

其中Tedlar寿命长，可用15 ~ 20年，抗渗透率、抗霉菌性能都高，渗透氦气流率小于0.5 L/m2.d.A，完全符合平流层飞艇的要求。

为节省成本，替代Tedlar的内囊材料可选择聚氯乙烯，但阻气性能稍差。此外，PVDC 在光氧化下会变脆，抗冲击性及耐寒性不佳；EVOH 耐热性差，受温度和湿度的影响大，因此它们在平流层飞艇囊体材料上的应用受到一定的限制。

值得一提的是，有文献指出，聚酯是高分子材料中最具实际应用价值的气密层材料。美国系留气球的防氦气渗漏层，采用的聚酯薄膜是由相对分子质量20 000~24 000之间的聚酯材料，经双向拉伸而成，其厚度在0.02~0.03 mm 之间。这种薄膜结构致密，具有良好的抗

渗透性，并且不受大多数有机溶剂的腐蚀，耐老化性好。在文献中也有介绍，使用表面镀铝的聚酯薄膜，放置于承力层和保护层的中间，可以起到二次气密和阻挡辐射的双重效果，此外，它还可以进一步提高蒙皮材料的剪切强度。

（3）保护层

防护层结构薄膜一般都设置在飞艇囊体材料的外层，用于防紫外线辐射，但仍然需要添加光防护剂，以避免辐射通过防护层进入内层材料。

高分子氟化物是目前耐环境最好的材料，目前普遍使用杜邦公司生产的聚氟乙烯膜（PVF，Tedlar），具有轻质、高强、尺寸稳定、气密性好的特点，在耐磨损、自清洁方面都有不错的表现。因此PVF可以兼做耐候性保护层和阻氦性气密层，分别层压在承力层的外表面和内表面，在文献中的小型试验里可以见到这种选材方式。

1991 年首飞的美国海军Sentinel 1000飞艇，其囊体材料采用的就是Tedlar-聚酯布复合层囊体材料，具有优异的耐候性，且对雷达具有隐身性能。此外，Sheldahl公司生产CBV-250A 型系留气球也选用了Tedlar作为防护层材料。除了Tedlar，应用到防护层的材料还有热塑性聚氨酯，它具有优良的抗拉伸、抗撕裂和耐高低温性能，同时具有良好的耐老化性能。

（4）粘结层

黏合剂是结合囊体材料各层间的媒介体，要求把承力层、气密层和防护层之间都牢固地黏合为一整体，因此它是层压复合材料中一项非常重要的组成部分，经多次屈挠后不得出现层间滑脱，且耐候性、拉伸强度、剪切强度也要好，以保证整体的性能。

一般使用的黏合剂多为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类，应用时可根据各层材料的性能选取。

聚碳酸酯抗紫外能力强，适用于外膜，据文献介绍，由杜邦公司生产的聚酯共聚物，简称Hytrel，是一种聚酯型热塑性弹性体，已经在飞艇囊体材料上得到成功应用，黏合强度达到0.069 MPa以上，同时它还有助于减小层压板的气体渗透率。

聚氨酯的优点则是成本相对较低。

除了用于层材间不同层之间的层合之外，粘合剂还可作为焊剂，用于膜片焊合缝，将两张膜片对接焊合，涂覆剂的粘着力强弱会显著影响膜片的焊接强度。

四、材料连接

整个飞艇蒙皮材料的加工工艺可以分为两个步骤，其一是将各层的材料层压为复合膜，其二是将多个蒙皮复合膜连接成一整张大的飞艇蒙皮，再经过修剪后，即可固定在飞艇支架上。