姚成城，高级工程师。原航天科技集团第四研究院43研究所资深项目专家。 现任中航工业北京优材百慕航空器材有限公司总经理助理，负责优材百慕西安分公司全面运营工作。在纤维缠绕复材制品和装备领域拥有较丰富经验。先后参与四院车用CNG IV型纤维缠绕复合材料气瓶、纤维缠绕复合材料绝缘产品等项目的技术开发管理、项目建线、项目运营等工作。
摘要：
本文详细回顾了1958-2023年60余年，国内固体火箭发动机复合材料燃烧室（固发壳体）用中大型纤维缠绕机的3阶段发展历程，包括几个关键事件，如首台纤维缠绕机的研制和对高性能进口设备的仿制，最终到2023年出现了先进的第3代18轴多通道数控纤维缠绕机，其性能相较前代大幅提升。此外，文中还指出当前传统纤维缠绕设备存在的五大关键问题，涵盖张力控制、纤维损伤、均匀展带等。创新性解决方案如自适应张力控制系统和分布式网络化控制等已被提出，显著改善了生产效率和加工环境，提升了壳体的整体性能与生产能力，并为后续的技术设计与生产流程提供了重要启示。
关键词：固体火箭发动机复合材料燃烧室 / 中大型纤维缠绕机 / 五大顽疾 / 第3代多通道纤维缠绕机
目录
一、国内固体火箭发动机复合材料燃烧室中大型纤维缠绕装备60年的发展脉络；
二、国内传统中大型纤维缠绕装备现存的“五大顽疾”问题；
三、优材百慕研制的第3代纤维缠绕机——对解决上述“五大顽疾”的对策实践；
四、部分试机效果情况。
一、国内固体火箭发动机复合材料燃烧室中大型纤维缠绕装备的60年发展脉络
伴随新中国导弹工业的发展，用于生产固体火箭发动机复合材料燃烧室（以下简称固发燃烧室或固发壳体）所用中大型纤维缠绕装备，在我国已发展了60 多年。从装备发展角度看，大约历经3个阶段：
1.1 萌芽阶段（1958-1998年）
在这40年有5个标志性事件：
*1956年，国防部5院（导弹院，航天科技及航天科工前身）成立。1958年，建工部玻璃钢研究小组成立，开始围绕玻璃钢固体火箭发动机壳体等制品研制开展了纤维缠绕技术的研究［1］。
图1：建工部玻璃钢组成立
图2：四院43所立式绕臂纤维缠绕机
*1964年, 配合钱学森提出的新中国《地地导弹发展规划》，纺织工业部下达大型立式纤维缠绕机项目，联合国防部五院1分院、中国纺织科学研究院、北京251厂、太原重型机械厂、陕西重型机械厂等共五家单位参与研制［2］，项目于1966年验收后，放置在国防部5院1分院，目前该设备仍在服役。
* 1965年，北京251厂研制了我国第一台环链卧式纤维缠绕机“525”。
图3：1965年我国第一台环链卧式纤维缠绕机“525”
1.2 蓬勃仿制阶段（1999-2022）
1999年，随着“南联盟屈辱事件”的发生，固发壳体研制进入快速发展阶段，基于高性能缠绕机进口受限等原因，国内部分厂家对固发壳体用中大型纤维缠绕机开展了蓬勃仿制，国内诸多非军工设备制造厂家争先仿制该类设备。
一直到2017年之前，各个厂家仿制蓝本均为WEⅡ缠绕机，包括缠绕机的结构形式都完全照搬。
2018年，航天科技某单位在仿制某型缠绕机时，为提高张力控制精度，缩短纱路距离，由王健（航天科技四院装备专家）牵头，首次在缠绕机仿制结构形式上进行了重大优化，将随动纱架和缠绕小车合二为一，形成“纱箱上小车”模式。
之后，国内其他仿制厂家也纷纷采用“纱箱上小车”结构。下文中，我们将此类缠绕机均称为“传统缠绕机”。
图4：中大型纤维缠绕机仿制典型样式
1.3 颠覆创新阶段-国内第3代固发壳体用纤维缠绕机（2023-）
该缠绕机具有自由度多、运动灵活等优点，2023年4-8月份2次试机结果表明，在不改变固发壳体现有工艺、缠绕程序，且壳体性能不降低的前提下，可实现缠绕效率提升4倍以上。具备高端装备的诸多特征。
从国内固发壳体中大型纤维缠绕机60年的发展脉络来看，优材百慕公司研发的该设备，对纤维缠绕行业可能产生颠覆性影响。通过与业内专家交流，一致认为该设备从设计理念、结构形式、功能实现、生产效率等方面，应定义为国内第3代纤维缠绕机。
图5：优材百慕2023年第3代纵向多通道数控纤维缠绕机试机现场
图6：第3代纵向多通道缠绕机的缠绕线型
二、国内传统中大型纤维缠绕装备现存的“五大顽疾”问题
2.1 固发壳体用中大型纤维缠绕装备的2大系统
纤维缠绕机从结构上看，主要由两大系统5个部分组成
（1）导纱系统：含纱架、胶槽胶辊、绕丝嘴3部分。
（2）主机系统：含芯模主轴和小车2部分。
图7：缠绕机的2大系统
2.2 导纱系统“三大顽疾”及主要成因
2.2.1 张力控制——顽疾之一 “好生差生一起上”
张力控制精度和稳定性是缠绕机的核心性能指标，直接反映了设备的先进程度［3］。张力不仅影响纤维强度的发挥，同时影响固发壳体的含胶量，最终影响壳体强度等性能指标。
在固发壳体缠绕工艺过程中，需要对多团纤维张力进行同步控制，且要求张力大小值尽可能一致。传统缠绕机纱路系统张力控制单元由于设计缺陷，在工艺实践中多团纤维张力值往往差异较大，形成 “好生差生一起上”现象。
图8：多团纤维在纱箱内的初始状态
造成上述 “好生差生一起上”的主要原因有以下5点：
*机械式张力器，如 “CTC”（Compensative Tension Controller），是通过机械结构来实现张力控制的。缺点主要是张力值不能自动设置，反应速度慢，精度低，不能回纱［4，5］。
*若采用气电摆杆式张力器，缠绕时纤维仍然存在回纱速度慢、高速缠绕时易断纱、张力波动较大等问题［5］。
*采用PID模式进行张力控制，虽然可以提高控制系统精度，但由于控制算法不停的在PD与PID之间切换，会使张力控制系统产生较大波动 [4] 。
*张力传感器精度不足：张力传感器用于实时监测纤维材料在缠绕过程中的张力值。如果传感器的精度低，响应不灵敏，可能导致张力的滞后控制，进而引发张力波动和不稳定的缠绕质量。
*导纱路径的设计及浸胶装置的设计也会导致张力控制系统产生较大问题，这一点极其容易被忽视。
2.2.2 损纱——顽疾之二 “遍体鳞伤上战场”
在发动机壳体缠绕生产现场，碳纤维断丝起毛现象困扰着整个生产工艺过程，影响纤维浸润树脂能力，极大损害碳纤维性能的发挥。我们称其为 “遍体鳞伤上战场”现象。这种现象不但污染生产环境、损害员工健康、造成电气设备的损坏，而且影响壳体性能。
图9：多丝束纤维通过纱路系统示意图
造成纤维 “遍体鳞伤上战场”的主要原因有以下6点：
*传统缠绕机纱路系统中刀、梳、棒齐全。导纱过程中，碳纤维经过一系列导纱机构，会与其中的导纱杆、梳子、刮刀、导纱辊、绕丝嘴产生剧烈摩擦， 且摩擦将伴随整个缠绕过程。由于碳纤维韧性低、脆性大的特性，上述摩擦会严重损坏纤维表面，导致纤维断丝 (俗称“起毛”)［6］。
* 传动机构的安装精度对起毛也会产生严重的影响，导向杆之间、导纱辊之间跑偏严重也会产生毛丝［7］。
* 缠绕张力选取不当或张力不稳定也会导致毛丝产生。张力越大，碳纤维损伤越严重。
* 导纱杆、梳子、导纱辊、刮刀等机构的材质、粗糙度、圆度等不符合要求。导纱机构结构设计与使用不合理。
* 缠绕过程中碳纤维浸润不足，也易出现干纱磨损。
* 在缠绕工艺过程中，断丝裹挟着树脂会附着在导纱路径各环节上，形成断丝与树脂混合物堆积的现象，破坏导纱机构的表面状态，加剧对好纤维的摩擦，形成恶性循环。
2.2.3 均匀展带——顽疾之三“纠缠不清结绳子”
固发壳体设计和缠绕工艺同时要求，多束纤维通过胶槽浸润和绕丝嘴后，缠绕到芯模表面时最好呈现均匀展开且彼此不黏连，既不重叠也不拉缝的状态。此状态可保证封头的纤维堆积少，无架空现象，纤维强度得以充分发挥，以满足发动机壳体结构设计的要求。
使用传统缠绕机过程中，经常出现通过绕丝嘴后的多束纤维呈现彼此黏连打结，以绳状（棍状）形态缠绕到芯模表面。我们称其为 “纠缠不清结绳子”现象。该现象既影响壳体外观，更影响产品质量。
造成上述 “纠缠不清结绳子”的主要原因有以下3点。
* 展纱方式单一。
* 导纱杆、梳子、刮刀、导纱辊等结构设计与使用不合理。
2.3 主机系统“两大顽疾”及主要成因
2.3.1 燃烧室封头段缠绕——顽疾之四“封头帕金森现象”
在发动机壳体纵向封头段缠绕过程中，经常会出现运行抖动爬行、动作滞后的现象，我们形象的称这种现象为 “封头帕金森现象”。
“封头帕金森现象”导致纤维不能均匀地分布在封头段，极易导致在该部位出现滑移现象，进而出现拉缝、重叠、架空等现象。
上述现象的成因，在于设备控制系统的动态响应滞后。壳体质量对纤维缠绕机有极高的精度和运动轨迹的控制要求，动态响应能力应该成为缠绕机的关键控制指标。
传统缠绕机动态响应不足，主要是生产厂家对壳体缠绕过程的“动态工艺特性”理解不深，在系统搭建过程中，更多参照机床行业的“稳态运行”思路， 造成设备的动态响应特性不足。
图10：波动示意
2.3.2 纵向缠绕综合出纱速度——顽疾之五，“1.5m/s天花板”
“ 1.5m/s天花板”的含义：当前壳体纵向缠绕速度（综合出纱速度）依然受到纤维浸胶及其设备机械结 构上限的限制，纵向综合出纱线速度一般都控制在1-1.5m/s左右（大部分取1.2m/s）。而且当线速度很大时，会导致：
*纤维浸渍程度（含胶量）不够，出现局部干纱现象；
*CTC、摆臂等张力结构场景下的易断纱；
*机械运动机构部分功能超过上限，导致设备故障
“1.5m/s 天花板”与壳体生产效率存在强关联关系，这种“天花板”使得产品生产效率长期徘徊不前，成为行业难题。如某型号壳体在生产中，一个纵向的时间一直徘徊在50min左右。不同厂家为了提高生产效率，有时不得不提高纱团数以弥补壳体生产效率问题。但大纱团数同步又会带来浸渍不足、毛纱、线型不规则等问题加剧现象，严重影响产品质量。