2021年中國運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)發(fā)展歷程及技術(shù)趨勢(shì)研究

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1、運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)整體向著大型化，模塊化的發(fā)展方向推進(jìn)

作為航天技術(shù)的基礎(chǔ)，航天運(yùn)輸系統(tǒng)的技術(shù)水平代表著一個(gè)國家自主進(jìn)出空間的能力。確保可靠、安全、快速、機(jī)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地進(jìn)出空間，不僅是未來實(shí)現(xiàn)迅速部署、重構(gòu)、擴(kuò)充和維護(hù)航天器的基礎(chǔ)，也是大規(guī)模開發(fā)和利用空間資源的前提。從目前來看，作為航天運(yùn)載系統(tǒng)的主力之一運(yùn)載火箭正向著大型化、系列化、組合化方向發(fā)展，而且各航天大國主流運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代已經(jīng)或即將完成。

作為運(yùn)載火箭關(guān)鍵分系統(tǒng)之一的箭體結(jié)構(gòu)，其推進(jìn)劑貯箱多采用高強(qiáng)鋁合金材料經(jīng)拼裝焊接而成，屬于大型薄壁鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，一方面作為液體容器實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的貯存、增壓輸送等功能，另一方面作為火箭主結(jié)構(gòu)傳遞飛行作用力。據(jù)中金企信國際咨詢公布的《2021-2027年中國運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展戰(zhàn)略分析及投資前景專項(xiàng)預(yù)測(cè)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：我國目前正在研制新一代運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)，包括未來的重型運(yùn)載火箭貯箱，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化要求，可靠性要求，先進(jìn)性要求也越來越突出。

隨著運(yùn)載火箭運(yùn)載能力要求的不斷提高，運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)整體向著大型化，模塊化的發(fā)展方向推進(jìn)；共底結(jié)構(gòu)形式在國外大型貯箱結(jié)構(gòu)中得到更多地應(yīng)用；高效輕質(zhì)新型材料得到更多應(yīng)用，結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)化，但需特別注意工藝適應(yīng)性；貯箱結(jié)構(gòu)可靠性的提高，需要不斷推進(jìn)新型高可靠工藝的應(yīng)用；貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與先進(jìn)輕質(zhì)材料、先進(jìn)制造技術(shù)更加緊密結(jié)合，共同推動(dòng)著結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、高效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2、高強(qiáng)度鋁鋰合金火箭貯箱攪拌摩擦焊接工藝

（1）先進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)

焊接是制造鋁鋰合金航天構(gòu)件產(chǎn)品的重要工藝之一。前蘇聯(lián)曾對(duì)1420、1460合金焊接工藝進(jìn)行了深人研究。20世紀(jì)末，攪拌摩擦焊技術(shù)逐漸成為鋁鋰合金理想焊接工藝。鋁鋰合金在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)有效破碎待焊表面的氧化膜，焊接產(chǎn)生的摩擦熱低于母材熔點(diǎn)，避免了合金中鋰揮發(fā)，有效減少焊接接頭的氣孔、裂縫等缺陷，使鋁鋰合金焊接接頭強(qiáng)度、斷裂韌性都顯著提高，達(dá)到母材的70%~87%。

目前，歐美等國家已實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊在運(yùn)載火箭貯箱上的工程化應(yīng)用。美國Atlas系列、Delta系列等火箭貯箱縱焊縫以及日本H-2B火箭貯箱的筒段縱焊縫和對(duì)接環(huán)焊縫均采用攪拌摩擦焊技術(shù)。美國SpaceX軌道公司以2198鋁鋰合金為原材料，用攪拌摩擦焊完成Falcon9火箭貯箱箱體環(huán)縫焊接制造，并在2010年6月4日成功實(shí)現(xiàn)飛行試驗(yàn)。

（2）運(yùn)載火箭鋁合金貯箱全攪拌摩擦焊接工藝現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊技術(shù)是1991年英國焊接研究所發(fā)明的一項(xiàng)新型固相焊接技術(shù)。由于焊接溫度未達(dá)到輕質(zhì)合金熔點(diǎn)，可以有效避免輕質(zhì)合金熔焊過程中易出現(xiàn)的氣孔、夾雜、熱裂紋等冶金缺陷，該技術(shù)的出現(xiàn)為輕質(zhì)合金的焊接帶來了革命性的變化。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)便使得工業(yè)界產(chǎn)生了極大的興趣，尤其是航天領(lǐng)域。美國宇航機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)在運(yùn)載火箭貯箱上的規(guī)模化工程應(yīng)用。例如:波音公司率先應(yīng)用于Deltall火箭中間艙段的制造，并于1999年8月17日成功通過飛行考核，之后推廣應(yīng)用于Deltall、DeltaIV、航天飛機(jī)外貯箱的承壓筒段制造；此外，美國NASA實(shí)現(xiàn)了AresI火箭的中5.5m箱底及03.6m獵戶座載人飛船的全攪拌摩擦焊接。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸被認(rèn)識(shí)，我國也開始將該技術(shù)應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)件的制造中。經(jīng)過近十多年的技術(shù)攻關(guān)，首都航天機(jī)械公司逐步掌握了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭貯箱全攪拌摩擦焊接制造的所有關(guān)鍵工藝，并逐步實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)載火箭貯箱筒段、箱底以及總裝環(huán)縫上的工程化應(yīng)用和考核。

攪拌摩擦焊技術(shù)已經(jīng)成為運(yùn)載火箭鋁合金貯箱制造的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)實(shí)現(xiàn)全攪拌摩擦焊接貯箱的關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果表明：常規(guī)攪拌摩擦焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)貯箱簡段縱縫和箱底瓜瓣縱縫的高質(zhì)量焊接；采用可回抽攪拌頭和無匙孔焊接工藝可以滿足封閉環(huán)縫的無匙孔焊接，且回抽區(qū)域接頭力學(xué)性能完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是可以檢測(cè)出攪拌摩擦焊縫的常見焊接缺陷，是攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的重要配套技術(shù);重復(fù)攪拌摩擦焊、“固相或熔焊填充+攪拌摩擦焊”、熔焊修補(bǔ)、摩擦塞補(bǔ)焊是攪拌摩擦焊工程應(yīng)用中的重要補(bǔ)焊手段，補(bǔ)焊接頭性能均可以達(dá)到50%以上。在上述關(guān)鍵技術(shù)獲得突破的基礎(chǔ)上，我國逐步實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)在運(yùn)載火箭貯箱筒段縱縫箱底主焊縫直至貯箱總裝環(huán)縫上的工程化應(yīng)用。