临近空间飞艇蒙皮材料简析

作者：兰顺正

首发自：临空视野

临近空间飞艇对于情报收集、通讯保障、侦查监视以及空间探测等领域应用潜力巨大，近年来日益受到人们的关注。而蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料，是发展临近空间飞艇的关键因素之一，其性能高低直接影响飞艇的类型、成本及寿命。

临近空间飞艇的工作环境十分严酷：温度低(最低温度约-55 ℃ )，昼夜温差大；大气稀薄密度约为0.0889kg/m³，仅为地面的1/14；同时紫外辐射、臭氧作用强烈。在这种环境下飞艇若长期工作，就会对蒙皮材料的性能提出很高的要求，一般要求有高强度、高比强度(强度与面密度之比)、高模量、高比刚度(模量与密度之比)，抗老化力强，抗撕裂、抗氦渗透和低蠕变特性。其中蒙皮材料的高强度决定了飞艇可以达到的最大直径；高比强度可以减少因材料重力造成的浮力损失，从而可以达到足够的高度；高比刚度可以使飞艇变形小，蠕变小，从而延长在低气压环境中的使用寿命，同时蒙皮材料的耐候性和阻氦性对蒙皮材料性能也很重要。

目前，飞艇的蒙皮材料属于典型的复合材料，飞艇一般由承重层，阻氦层，耐候层以及粘结层组成。

承重层又可称为增强体或基布层，几乎承受蒙皮材料的全部强力，均由织物构成。织物的结构形式一般采用平纹织物，因为平纹织物的粘结性和撕裂强度相对较好。同时织物的纱线粗细、捻数和在布中的排列密度对材料的性能也有影响。目前应用于临近空间飞艇蒙皮材料的织物主要是一些高强度、高模量的合成纤维，主要有芳香族聚酞胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维等。

其中，芳香族聚酞胺纤维兴起于70年代，用芳香族单元取代聚酞胺的某些脂肪族链段而具有优异性能的聚合物。芳香族聚酞胺纤维中由于芳基的引入使分子链的柔性减少，刚性增大，从而得到化学稳定性优异的高强高模量纤维。目前可以采购的芳族聚酞胺纤维商品织物主要有Kevlar,Nomex,Twaron,Technora等。

而聚酯纤维是由饱和的二元酸与二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物，品种繁多、因原料或中间体而异，共同特点是大分子的各个链节间都是以酯基“一C00一”相连，所以通称为聚酯，在我国商品称为涤纶。聚酯类纤维耐光耐热性能优异，近年来还开发出了一些高强度高模量的聚酯纤维如上海石化公司采用对聚酯部分的改性和调整生产出超强PET短纤维，其单纤维断裂强度超过6.4GPa。

高强高模量聚乙烯纤维材料在化学上与平常的高密度聚乙烯相似，但在结构上以伸直链结构代替原有的沿纤维轴向排列的折叠连接晶区和无定形区的两相结构，这种结构是纤维具有高强高模量的技术关键。

由于现代飞艇基本都使用氦气作为浮升气体，要使飞艇长时间驻留在空中，作为蒙皮必须具备阻氦性能。20世纪70年代出现许多阻隔性薄膜材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、乙烯一乙烯醇共聚物等。大量实验表明，聚酯薄膜是最具实际应用价值的气密层薄膜材料，例如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量在20000-24000之间的聚酯材料经双向拉伸而成，其厚度在0.02-0.03mm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。

耐候层是用来抵御由于临近空间紫外线辐射、臭氧侵蚀、太阳热辐射等复杂环境所引起的老化问题。应用较广泛的耐候性能好的耐候层材料主要有热塑性聚氨酯和聚氨酯膜以及聚氟乙烯薄膜。考虑到临近空间飞艇蒙皮材料不仅要有良好的耐环境性能，还要抗紫外线，综合分析聚氟乙烯膜作为耐候层最好的材料，目前普遍使用的是杜邦公司生产的商品名为Tedlar氟膜材料，该产品具有轻质、高强、尺寸稳定、气密性好的特点，同时研究工作者们在研究中还从改善纤维织物的耐候方面进行了考虑，如日本航空宇宙技术研究所通过对PBO纤维的防紫老化处理，使其在飞艇飞行实验中强度下降程度有很大改善。

粘结层是蒙皮材料各层之间的媒介体，要求把承力层、阻氦层、耐候层都牢固的粘合为一体，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离层、脱层且耐候性也要好。一般使用的粘合剂多为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类，应用时根据各层材料的性能选取。蒙皮材料选择用聚氨酯粘合剂是较为理想的，它具有很高的粘结性，可以实现多种不同材料之间的粘合，并且在极低温度下仍然保持较高的玻璃强度，形成的胶膜坚韧，耐冲击，绕曲性好，耐油和耐磨性好。

同时，影响临近空间飞艇综合性能的关键因素除了所使用的蒙皮材料的本身性能外，蒙皮材料的制备工艺也是至关重要的。

在蒙皮材料的复合工艺方面，临近空间飞艇蒙皮所使用的多层材料的复合要根据使用的粘合剂类型及预复合的材料的特点而选用不同的复合方法。复合方法通常分为干法、湿法、挤压法和涂布法四个基本方法。对溶剂性粘合剂，在膜与膜之间复合是采用干法复合，膜与布之间复合是采用湿法或涂布法复合；对于热熔型的粘合剂可采用挤压法复合

在蒙皮材料的成型工艺方面，飞艇蒙皮材料的成型工艺主要是指按模线样板裁下的蒙皮有序进行连接，以指达到不低于囊体材料本身强度和气密性要求的全过程。早期蒙皮材料的成型多采用缝纫加粘合的接缝成型，而现在蒙皮材料主要使用焊接带，采用的是对接方式成型。