臨近空間飛艇蒙皮材料簡析_風聞

作者：蘭順正

首發自：臨空視野

臨近空間飛艇對於情報收集、通訊保障、偵查監視以及空間探測等領域應用潛力巨大，近年來日益受到人們的關注。而蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料，是發展臨近空間飛艇的關鍵因素之一，其性能高低直接影響飛艇的類型、成本及壽命。

臨近空間飛艇的工作環境十分嚴酷：温度低(最低温度約-55 ℃ )，晝夜温差大；大氣稀薄密度約為0.0889kg/m³，僅為地面的1/14；同時紫外輻射、臭氧作用強烈。在這種環境下飛艇若長期工作，就會對蒙皮材料的性能提出很高的要求，一般要求有高強度、高比強度(強度與面密度之比)、高模量、高比剛度(模量與密度之比)，抗老化力強，抗撕裂、抗氦滲透和低蠕變特性。其中蒙皮材料的高強度決定了飛艇可以達到的最大直徑；高比強度可以減少因材料重力造成的浮力損失，從而可以達到足夠的高度；高比剛度可以使飛艇變形小，蠕變小，從而延長在低氣壓環境中的使用壽命，同時蒙皮材料的耐候性和阻氦性對蒙皮材料性能也很重要。

目前，飛艇的蒙皮材料屬於典型的複合材料，飛艇一般由承重層，阻氦層，耐候層以及粘結層組成。

承重層又可稱為增強體或基布層，幾乎承受蒙皮材料的全部強力，均由織物構成。織物的結構形式一般採用平紋織物，因為平紋織物的粘結性和撕裂強度相對較好。同時織物的紗線粗細、捻數和在布中的排列密度對材料的性能也有影響。目前應用於臨近空間飛艇蒙皮材料的織物主要是一些高強度、高模量的合成纖維，主要有芳香族聚酞胺纖維、聚酯纖維、聚乙烯纖維等。

其中，芳香族聚酞胺纖維興起於70年代，用芳香族單元取代聚酞胺的某些脂肪族鏈段而具有優異性能的聚合物。芳香族聚酞胺纖維中由於芳基的引入使分子鏈的柔性減少，剛性增大，從而得到化學穩定性優異的高強高模量纖維。目前可以採購的芳族聚酞胺纖維商品織物主要有Kevlar,Nomex,Twaron,Technora等。

而聚酯纖維是由飽和的二元酸與二元醇通過縮聚反應制得的一類線性高分子縮聚物，品種繁多、因原料或中間體而異，共同特點是大分子的各個鏈節間都是以酯基“一C00一”相連，所以通稱為聚酯，在我國商品稱為滌綸。聚酯類纖維耐光耐熱性能優異，近年來還開發出了一些高強度高模量的聚酯纖維如上海石化公司採用對聚酯部分的改性和調整生產出超強PET短纖維，其單纖維斷裂強度超過6.4GPa。

高強高模量聚乙烯纖維材料在化學上與平常的高密度聚乙烯相似，但在結構上以伸直鏈結構代替原有的沿纖維軸向排列的摺疊連接晶區和無定形區的兩相結構，這種結構是纖維具有高強高模量的技術關鍵。

由於現代飛艇基本都使用氦氣作為浮升氣體，要使飛艇長時間駐留在空中，作為蒙皮必須具備阻氦性能。20世紀70年代出現許多阻隔性薄膜材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、乙烯一乙烯醇共聚物等。大量實驗表明，聚酯薄膜是最具實際應用價值的氣密層薄膜材料，例如美國繫留氣球的防氦氣滲漏層採用的聚酯薄膜是由相對分子量在20000-24000之間的聚酯材料經雙向拉伸而成，其厚度在0.02-0.03mm之間。這種薄膜結構緻密，具有良好的抗滲透性，並且不受大多數有機溶劑的腐蝕，耐老化性好。

耐候層是用來抵禦由於臨近空間紫外線輻射、臭氧侵蝕、太陽熱輻射等複雜環境所引起的老化問題。應用較廣泛的耐候性能好的耐候層材料主要有熱塑性聚氨酯和聚氨酯膜以及聚氟乙烯薄膜。考慮到臨近空間飛艇蒙皮材料不僅要有良好的耐環境性能，還要抗紫外線，綜合分析聚氟乙烯膜作為耐候層最好的材料，目前普遍使用的是杜邦公司生產的商品名為Tedlar氟膜材料，該產品具有輕質、高強、尺寸穩定、氣密性好的特點，同時研究工作者們在研究中還從改善纖維織物的耐候方面進行了考慮，如日本航空宇宙技術研究所通過對PBO纖維的防紫老化處理，使其在飛艇飛行實驗中強度下降程度有很大改善。

粘結層是蒙皮材料各層之間的媒介體，要求把承力層、阻氦層、耐候層都牢固的粘合為一體，因此它是層壓複合材料中一項非常重要的組成部分，經多次屈撓後不得出現離層、脱層且耐候性也要好。一般使用的粘合劑多為聚酯類、聚醚類或聚氨酯類，應用時根據各層材料的性能選取。蒙皮材料選擇用聚氨酯粘合劑是較為理想的，它具有很高的粘結性，可以實現多種不同材料之間的粘合，並且在極低温度下仍然保持較高的玻璃強度，形成的膠膜堅韌，耐衝擊，繞曲性好，耐油和耐磨性好。

同時，影響臨近空間飛艇綜合性能的關鍵因素除了所使用的蒙皮材料的本身性能外，蒙皮材料的製備工藝也是至關重要的。

在蒙皮材料的複合工藝方面，臨近空間飛艇蒙皮所使用的多層材料的複合要根據使用的粘合劑類型及預複合的材料的特點而選用不同的複合方法。複合方法通常分為幹法、濕法、擠壓法和塗布法四個基本方法。對溶劑性粘合劑，在膜與膜之間複合是採用幹法複合，膜與布之間複合是採用濕法或塗布法複合；對於熱熔型的粘合劑可採用擠壓法複合

在蒙皮材料的成型工藝方面，飛艇蒙皮材料的成型工藝主要是指按模線樣板裁下的蒙皮有序進行連接，以指達到不低於囊體材料本身強度和氣密性要求的全過程。早期蒙皮材料的成型多采用縫紉加粘合的接縫成型，而現在蒙皮材料主要使用焊接帶，採用的是對接方式成型。