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    新跨越!我國首個3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱在火箭院誕生

    2021/9/16 9:23:02 人評論 次瀏覽 分類:國內鋁業動態

    近日,我國首個3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱在火箭院誕生,經各環節試驗檢測合格且性能良好,初步具備工程應用條件。該貯箱采用了第三代高性能鋁鋰合金,與當前國際主流鋁銅合金貯箱相比,強度提升30%左右,同等條件下結構減重15%以上。這標志著我國已打通國際一流貯箱研制鏈路,運載火箭研制水平實現新跨越。

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    ▲3350直徑鋁鋰合金貯箱工程樣機下架


    鋁鋰合金貯箱在國際上技術領先

    在我國航天界有這樣一句話:“運載火箭的能力有多大,中國航天的舞臺就有多大”,但在貯箱研制人員中,這句話前還會加半句:“貯箱有多大,運載火箭就有多大”。

    “這個‘大’是廣義概念,不僅指貯箱的直徑,還泛指貯箱的強度、剛度和結構效率?!?.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱研制人員、總體設計部火箭貯箱設計師胡正根說,“我國運載火箭貯箱已形成7種直徑、3代材料組成的10余種類型?!?

    按照直徑劃分,有1米級、2.25米級、3米級、3.35米級、5米級、7.5米級和9.5米級運載火箭貯箱;

    按照材料劃分,有第一代鋁鎂合金貯箱、第二代鋁銅合金貯箱和第三代鋁鋰合金貯箱。

    在一枚新的火箭設計過程中,設計師會將不同直徑的不同材料靈活組合,研制出尺寸、材料、成本等不同的多種貯箱,如1米級鋁銅合金貯箱、2.25米級鋁鎂合金貯箱等,滿足不同運載任務的需求。

    第三代鋁鋰合金貯箱的問世,是我國運載火箭結構效率和運載能力進一步提升的重要標志。胡正根說,目前僅美國航天飛機、法爾肯和前蘇聯能源號等運載火箭,在貯箱結構上大面積使用了鋁鋰合金,這使其結構效率和運載能力達到國際領先水平,代表了運載火箭貯箱的發展方向。從2018年起,我國鋁鋰合金火箭貯箱研制全面啟動,火箭院以相關型號任務和課題研究為牽引,投入第三代鋁鋰合金貯箱研制全流程技術攻關。


    突破八大關鍵技術

    相對于傳統鋁銅合金,鋁鋰合金強度和剛度顯著提升,密度卻下降了3%-5%,是當前國際航天大國爭相開拓的領域。

    優異的性能往往需要頂級的制造技術。貯箱占箭體結構重量和空間50%以上,其內部加注的燃料占火箭總重90%以上,可以說,加注后的火箭能否穩定起飛,貯箱性能穩定性是核心要素之一。

    鋁鋰合金恰好符合火箭貯箱的各種性能要求,胡正根介紹,鋰是元素周期表中最輕的金屬元素,在鋁中每加入1%的鋰,密度降低3%,彈性模量反而提升6%,這對運力按克重計算價格的火箭來說彌足珍貴。

    但鋁鋰合金材料各向異性強、屈強比高、鋰原子活潑,給結構設計、構件成形和焊接都帶來了巨大挑戰。哪個環節稍有不慎就會前功盡棄?;鸺嚎傮w設計部集合當前國內尖端力量,與天津航天長征火箭制造有限公司、航天材料及工藝研究所、中南大學、西南鋁業(集團)有限責任公司、江蘇豪然噴射成形合金有限公司等強強聯合,從原材料成分優化、結構設計、構件成形、裝配焊接等方面入手,開展全流程全要素研發。

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    ▲鋁鋰合金貯箱生產現場

    2018年至今,項目團隊突破了成分優化控制、輕質化設計、形變熱處理、整體旋壓、攪拌摩擦焊等8大關鍵技術,一鼓作氣打通了鋁鋰合金貯箱的研制鏈路,實現了我國首個3.35米直徑鋁鋰合金貯箱高精度高性能設計制造。

    貯箱設計制造研究還牽引了整體成形技術的進步。如,整體旋壓和整體環軋技術的突破,實現了箱底由頂蓋+多塊瓜瓣的拼焊向整體成形無焊縫轉變,大幅度減少了貯箱焊縫,保證了產品可靠性,同時縮減了生產工序,提高了生產效率。

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    ▲整體旋壓成形3350直徑鋁鋰合金貯箱箱底


    火箭運載能力將顯著提升

    運載能力是衡量火箭價值的核心指標之一,一枚火箭運載的衛星等有效載荷越重,它的運載能力、價值越大。以長征七號運載火箭(簡稱“長七火箭”)為例,火箭起飛質量約597噸,能將不低于14噸的有效載荷送入近地軌道,14噸就是長七火箭近地軌道運載能力。

    在597噸的起飛質量中,火箭自身的重量占起飛重量的97%以上。不難看出,火箭自重與其運載能力是“此消彼長”關系,火箭自重越輕,能讓給衛星等有效載荷的重量就越多,而貯箱結構重量占箭體結構總重的50%以上,是降低結構重量、提高火箭運載能力的關鍵。

    那么,一枚火箭上有十幾個貯箱,全換成鋁鋰合金貯箱,是不是能實現運載能力和價值最大化?

    “與火箭的運載能力相比,發射成本也是衛星等有效載荷用戶最關注的因素。鋁鋰合金材料成本遠高于鋁鎂合金和鋁銅合金?!焙f,“以噸為單位,鋁鎂合金的價格在6萬元左右,鋁銅合金的價格在10萬元左右,而現在鋁鋰合金的價格則高達30-100萬元?!?

    好鋼要用在刀刃上。胡正根說,火箭飛行高度不同,所需的掙脫地球引力的力氣也不同,起飛階段需要的力氣最大,進入太空后需要的力氣最小。經過專家測算,給火箭末級減重1公斤,就相當于火箭運載能力增加1公斤。因此,將鋁鋰合金貯箱應用在火箭末級的效益最高,當前國際上的航天強國,也都將鋁鋰合金貯箱應用于火箭末級上,實現運載能力的顯著提升。

    火箭院總體設計部結構室主任劉觀日介紹,我國3.35米鋁鋰合金貯箱將主要應用在新一代運載火箭末級,提升長征五號、長征七號、長征八號等火箭結構效率和運載能力,大幅增強我國深空探測能力和水平,同時為更大直徑的重型火箭和新一代載人火箭研制奠定基礎。

    文稿:張娟娟

    圖片:胡正根  張玥  溫濤

    編輯:高詩淇

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