新跨越！我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在火箭院诞生

近日,我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在火箭院诞生,经各环节试验检测合格且性能良好,初步具备工程应用条件。该贮箱采用了第三代高性能铝锂合金,与当前国际主流铝铜合金贮箱相比,强度提升30%左右,同等条件下结构减重15%以上。这标志着我国已打通国际一流贮箱研制链路,运载火箭研制水平实现新跨越。

▲3350直径铝锂合金贮箱工程样机下架

铝锂合金贮箱在国际上技术领先

在我国航天界有这样一句话:“运载火箭的能力有多大,中国航天的舞台就有多大”,但在贮箱研制人员中,这句话前还会加半句:“贮箱有多大,运载火箭就有多大”。

“这个‘大’是广义概念,不仅指贮箱的直径,还泛指贮箱的强度、刚度和结构效率。”3.35米直径铝锂合金火箭贮箱研制人员、总体设计部火箭贮箱设计师胡正根说,“我国运载火箭贮箱已形成7种直径、3代材料组成的10余种类型。”

按照直径划分,有1米级、2.25米级、3米级、3.35米级、5米级、7.5米级和9.5米级运载火箭贮箱;

按照材料划分,有第一代铝镁合金贮箱、第二代铝铜合金贮箱和第三代铝锂合金贮箱。

在一枚新的火箭设计过程中,设计师会将不同直径的不同材料灵活组合,研制出尺寸、材料、成本等不同的多种贮箱,如1米级铝铜合金贮箱、2.25米级铝镁合金贮箱等,满足不同运载任务的需求。

第三代铝锂合金贮箱的问世,是我国运载火箭结构效率和运载能力进一步提升的重要标志。胡正根说,目前仅美国航天飞机、法尔肯和前苏联能源号等运载火箭,在贮箱结构上大面积使用了铝锂合金,这使其结构效率和运载能力达到国际领先水平,代表了运载火箭贮箱的发展方向。从2018年起,我国铝锂合金火箭贮箱研制全面启动,火箭院以相关型号任务和课题研究为牵引,投入第三代铝锂合金贮箱研制全流程技术攻关。

突破八大关键技术

相对于传统铝铜合金,铝锂合金强度和刚度显著提升,密度却下降了3%-5%,是当前国际航天大国争相开拓的领域。

优异的性能往往需要顶级的制造技术。贮箱占箭体结构重量和空间50%以上,其内部加注的燃料占火箭总重90%以上,可以说,加注后的火箭能否稳定起飞,贮箱性能稳定性是核心要素之一。

铝锂合金恰好符合火箭贮箱的各种性能要求,胡正根介绍,锂是元素周期表中最轻的金属元素,在铝中每加入1%的锂,密度降低3%,弹性模量反而提升6%,这对运力按克重计算价格的火箭来说弥足珍贵。

但铝锂合金材料各向异性强、屈强比高、锂原子活泼,给结构设计、构件成形和焊接都带来了巨大挑战。哪个环节稍有不慎就会前功尽弃。火箭院总体设计部集合当前国内尖端力量,与天津航天长征火箭制造有限公司、航天材料及工艺研究所、中南大学、西南铝业(集团)有限责任公司、江苏豪然喷射成形合金有限公司等强强联合,从原材料成分优化、结构设计、构件成形、装配焊接等方面入手,开展全流程全要素研发。

▲铝锂合金贮箱生产现场

2018年至今,项目团队突破了成分优化控制、轻质化设计、形变热处理、整体旋压、搅拌摩擦焊等8大关键技术,一鼓作气打通了铝锂合金贮箱的研制链路,实现了我国首个3.35米直径铝锂合金贮箱高精度高性能设计制造。

贮箱设计制造研究还牵引了整体成形技术的进步。如,整体旋压和整体环轧技术的突破,实现了箱底由顶盖+多块瓜瓣的拼焊向整体成形无焊缝转变,大幅度减少了贮箱焊缝,保证了产品可靠性,同时缩减了生产工序,提高了生产效率。

▲整体旋压成形3350直径铝锂合金贮箱箱底

火箭运载能力将显著提升

运载能力是衡量火箭价值的核心指标之一,一枚火箭运载的卫星等有效载荷越重,它的运载能力、价值越大。以长征七号运载火箭(简称“长七火箭”)为例,火箭起飞质量约597吨,能将不低于14吨的有效载荷送入近地轨道,14吨就是长七火箭近地轨道运载能力。

在597吨的起飞质量中,火箭自身的重量占起飞重量的97%以上。不难看出,火箭自重与其运载能力是“此消彼长”关系,火箭自重越轻,能让给卫星等有效载荷的重量就越多,而贮箱结构重量占箭体结构总重的50%以上,是降低结构重量、提高火箭运载能力的关键。

那么,一枚火箭上有十几个贮箱,全换成铝锂合金贮箱,是不是能实现运载能力和价值最大化?

“与火箭的运载能力相比,发射成本也是卫星等有效载荷用户最关注的因素。铝锂合金材料成本远高于铝镁合金和铝铜合金。”胡正根说,“以吨为单位,铝镁合金的价格在6万元左右,铝铜合金的价格在10万元左右,而现在铝锂合金的价格则高达30-100万元。”

好钢要用在刀刃上。胡正根说,火箭飞行高度不同,所需的挣脱地球引力的力气也不同,起飞阶段需要的力气最大,进入太空后需要的力气最小。经过专家测算,给火箭末级减重1公斤,就相当于火箭运载能力增加1公斤。因此,将铝锂合金贮箱应用在火箭末级的效益最高,当前国际上的航天强国,也都将铝锂合金贮箱应用于火箭末级上,实现运载能力的显著提升。

火箭院总体设计部结构室主任刘观日介绍,我国3.35米铝锂合金贮箱将主要应用在新一代运载火箭末级,提升长征五号、长征七号、长征八号等火箭结构效率和运载能力,大幅增强我国深空探测能力和水平,同时为更大直径的重型火箭和新一代载人火箭研制奠定基础。(文稿:张娟娟  图片:胡正根  张玥  温涛)