載人航天器結(jié)構(gòu)工藝瓶頸及對策

趙長喜

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

隨著我國載人航天工程的順利發(fā)展，建設(shè)長期在軌有人照料的空間站成為載人航天工程三期的重點(diǎn)項(xiàng)目。一方面，在空間站項(xiàng)目強(qiáng)有力的需求牽引下，為新材料和新工藝技術(shù)的研究應(yīng)用提供了機(jī)遇；另一方面，空間站結(jié)構(gòu)的長壽命（8～10年）、低漏率、高可靠、輕量化等要求，也給結(jié)構(gòu)材料的選用、制造工藝技術(shù)帶來很大的難度，尤其是在保證大尺寸載人密封艙體的長期在軌氣密性以及結(jié)構(gòu)精度上與國際先進(jìn)技術(shù)還存在一定的差距，還需要進(jìn)行大量的研究工作。

1 載人航天器工藝需求分析

1.1 低地球軌道環(huán)境對材料和工藝的影響

載人航天器運(yùn)行在距離地面200～700 km的低地球軌道上，該軌道與其他軌道相比，顯著不同的是更為惡劣的原子氧和熱循環(huán)環(huán)境。而原子氧和熱循環(huán)對材料和工藝影響很大。

NASA研究結(jié)果表明原子氧對一些材料（如：碳纖維復(fù)合材料、銀等）的表面氧化腐蝕很嚴(yán)重。因此，在材料選用和表面防護(hù)處理工藝方面需要重點(diǎn)考慮。

載人航天器在低地球軌道運(yùn)行期間反復(fù)進(jìn)出地球陰影，每90 min左右沿軌道運(yùn)行一圈，溫度會在-160～+120℃范圍內(nèi)周期性變化。熱循環(huán)會引起航天器零部件內(nèi)部應(yīng)力變化，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力在熱循環(huán)過程中會部分釋放而引起變形，從而影響航天器部分儀器設(shè)備的精度。因此，在材料毛坯應(yīng)力和制造過程應(yīng)力的控制方面也需要重點(diǎn)考慮。

1.2 載人航天器對材料和結(jié)構(gòu)的工藝要求

1.2.1 適應(yīng)輕量化

航天器結(jié)構(gòu)在滿足一定強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性的前提下，要求盡量減輕重量。一方面，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的有色金屬材料和復(fù)合材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋁基碳化硅、碳纖維復(fù)合材料等；另一方面，采用輕型結(jié)構(gòu)，如泡沫夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、整體壁板結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等。因此，工藝技術(shù)要適應(yīng)新材料和輕量化結(jié)構(gòu)的需求。

1.2.2 工藝穩(wěn)定性

航天產(chǎn)品的高可靠性研制特點(diǎn)，對工藝的穩(wěn)定性提出了很高的要求，不僅是要研制出產(chǎn)品，而且要求工藝過程可控、穩(wěn)定，產(chǎn)品可檢測。

1.2.3 工藝高精度

載人密封艙結(jié)構(gòu)中的大尺寸密封面、密封槽的加工精度，特別是密封面的表面粗糙度，是直接影響整艙密封性能的重要因素；陀螺、相機(jī)、指向機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品精度在亞μm量級至μm量級。這既要求材料和結(jié)構(gòu)具有良好的加工性能，又要求工藝具有精密加工及超精密加工能力。

1.2.4 材料穩(wěn)定性

空間飛行器根據(jù)其功能不同，使用壽命從幾天到十幾年。要求長期工作在輻照、真空、零重力、高低溫等特殊空間環(huán)境中的航天器材料與結(jié)構(gòu)具有良好的尺寸穩(wěn)定性，以滿足航天器儀器設(shè)備對高精度的要求。

2 載人航天器工藝瓶頸

2.1 航天器薄壁結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力控制

材料內(nèi)部存在很大且分布不均勻的殘余應(yīng)力，而在切削加工中又會引起殘余應(yīng)力的部分釋放和重新分布，從而導(dǎo)致加工變形。

零件加工完成后仍然存在很大的殘余應(yīng)力，在貯存過程中會緩慢釋放，也能引起零件變形。

因此，對于航天器薄壁結(jié)構(gòu)零件的變形控制是難點(diǎn)，需要對其工藝過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)從原材料或毛坯的狀態(tài)、加工工藝方法和工藝過程、消除應(yīng)力方法和時機(jī)、加工裝夾方法等方面進(jìn)行深入分析，以期找到有效的工藝措施。

2.2 載人航天器密封結(jié)構(gòu)高可靠低應(yīng)力焊接技術(shù)

焊接是載人航天器密封結(jié)構(gòu)的重要工藝措施，是保證其密封性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要手段。目前大部分結(jié)構(gòu)焊接均實(shí)現(xiàn)了高可靠自動化焊接。

但在載人航天器結(jié)構(gòu)中，大量復(fù)雜形狀的焊縫（如球底、法蘭等）仍需靠手工焊來完成。由于手工氬弧焊的熱輸入量大，焊接殘余應(yīng)力水平高，容易導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)變形增大、補(bǔ)焊次數(shù)增加。因此手工焊縫影響著艙體結(jié)構(gòu)的密封性能，成為密封艙體主結(jié)構(gòu)研制的薄弱環(huán)節(jié)。

載人航天器結(jié)構(gòu)艙段殼體逐漸從半硬殼式結(jié)構(gòu)發(fā)展到整體壁板結(jié)構(gòu)。一方面，結(jié)構(gòu)材料除成熟的5A06鋁合金外，新型高強(qiáng)鋁合金、鋁鎂鈧合金、鎂合金等新材料也不斷得到發(fā)展和應(yīng)用；另一方面焊接厚度從蒙皮結(jié)構(gòu)的2～3 mm發(fā)展到壁板結(jié)構(gòu)的5～8 mm，甚至厚達(dá)100 mm。因此，需要研發(fā)高可靠低應(yīng)力的先進(jìn)焊接技術(shù)。

2.3 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)

隨著載人航天事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，對載人航天器的材料和結(jié)構(gòu)重量比提出了更高的要求，即一方面要不斷地降低材料與結(jié)構(gòu)的重量，另一方面要求增加有效載荷的裝載數(shù)量。因此，需要廣泛地應(yīng)用先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

根據(jù)空間站長期在軌的載人密閉環(huán)境保障的要求，對碳纖維復(fù)合材料揮發(fā)性有機(jī)物含量的控制、防霉菌、阻燃性等提出了更高的要求。

因此，必須開展適用于載人密封結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料及其工藝改進(jìn)研究。

3 載人航天器材料與工藝技術(shù)對策

3.1 薄壁結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力消除和變形控制

3.1.1 材料毛坯的選用控制

材料毛坯的加工方法和熱處理狀態(tài)，對材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響很大。鍛造毛坯內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)大于常規(guī)板料內(nèi)應(yīng)力；經(jīng)熱處理強(qiáng)化的 T4、T6狀態(tài)的原材料殘余應(yīng)力明顯大于沒有經(jīng)熱處理強(qiáng)化的熱處理狀態(tài)。因此，選擇合理的材料毛坯和熱處理狀態(tài)對鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)零件的加工變形控制至關(guān)重要。

對于鋁合金板料，應(yīng)盡量選用經(jīng)過預(yù)拉伸處理的板料。預(yù)拉伸材料內(nèi)部殘余應(yīng)力小而均勻，且為拉應(yīng)力狀態(tài)，能夠顯著改善加工過程中的變形。

對于鍛件毛坯材料，應(yīng)盡量通過長時間的自然時效處理來降低其殘余應(yīng)力，并建議加工前安排合理的消除應(yīng)力工序。

3.1.2 加工方法的選用控制

不同的加工方法，切削力和切削熱差異很大，反映到零件上就是加工變形的大小。一般而言，車削加工、刨加工、鏜加工等單刃單點(diǎn)的切削力較小，加工變形也小。銑加工鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)，要盡量減小切削深度和進(jìn)給量以減少切削力和切削熱，并盡量采用鍤銑和高速銑。

不同的加工順序?qū)庸ぷ冃斡绊懸埠艽?，安排工序時要盡可能早地釋放材料毛坯的內(nèi)應(yīng)力，即采取必要合理的消除應(yīng)力措施。

特種加工對鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)也是一種很好的選擇，除了常規(guī)的電火花加工、電火花線切割之外，電解加工、高效電火花銑削加工、超聲振動加工等技術(shù)也逐漸成熟并得到推廣應(yīng)用。

3.1.3 裝夾方法的選用控制

零件在加工前，為防止零件切削過程中移動和脫落，夾具應(yīng)有足夠的壓緊力。在加工過程中由于零件側(cè)壁逐漸變薄，剛性下降，且在夾具壓緊力的作用下，容易使零件側(cè)壁受壓失穩(wěn)變形，造成零件尺寸超差。因此，鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)零件的裝夾方法對零件的加工變形控制非常關(guān)鍵。既要保證定位和夾緊，又不能使夾緊力作用于薄壁結(jié)構(gòu)而引起變形，比較可行的工藝措施是設(shè)計必要的裝夾定位面和采用真空裝夾技術(shù)。

3.1.4 殘余應(yīng)力的控制

常規(guī)的殘余應(yīng)力消除方法包括自然時效、人工時效、退火處理、機(jī)械振動等。對于鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)而言，自然時效周期太長；人工時效因?yàn)闇囟鹊投Ч焕硐?，退火處理后的材料性能又下降太多。機(jī)械振動多用于黑色金屬鑄件。因此，高強(qiáng)鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力消除難度很大。

隨著振動消除應(yīng)力技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開始在有色金屬領(lǐng)域應(yīng)用。振動消除應(yīng)力技術(shù)與常規(guī)的熱處理退火、時效處理工藝相比，具有處理時間短、耗能少、適應(yīng)范圍廣、對環(huán)境要求少、設(shè)備簡單及成本低等優(yōu)點(diǎn)且效果顯著。

3.2 高可靠低應(yīng)力密封結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)

3.2.1 先進(jìn)焊接方法的應(yīng)用研究

鋁合金變極性等離子弧（VPPA）焊接技術(shù)是專門為鋁合金材料而開發(fā)的一種高能束焊接技術(shù)，其綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊兩方面的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制焊接熱輸入，降低焊接變形。VPPA焊接工藝適合于中等厚度鋁合金焊接，也是空間站密封艙結(jié)構(gòu)焊接的最佳方法，其中國際空間站、航天飛機(jī)等載人航天器主結(jié)構(gòu)均采用此焊接方法。經(jīng)過近年的自主研發(fā)，我國已經(jīng)突破并掌握了VPPA焊接工藝技術(shù)，并成功應(yīng)用于“天宮一號”艙體的縱縫和環(huán)縫焊接，焊縫合格率達(dá)到100%。

攪拌摩擦焊（FSW）屬于固相焊，無需保護(hù)氣體和填料。但由于方法的限制，對被焊工件的加工精度、焊接裝配精度、焊接工裝剛性等都有很高的要求。因此，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的載人航天器主結(jié)構(gòu)焊接而言，存在工藝準(zhǔn)備周期長、成本高，零部件超差（對于研制性質(zhì)的產(chǎn)品而言是不可避免的）處理困難，甚至不能焊接的風(fēng)險。而對于大型鎂合金結(jié)構(gòu)件的異種材料焊接，F(xiàn)SW無疑是一種比較好的工藝方法。

電子束焊也是一種很好的焊接方法，但對于大型載人航天器結(jié)構(gòu)焊接而言，需要特別龐大的真空室，顯然是很昂貴的；而對于復(fù)雜的焊縫又限制了真空電子束焊接方法的應(yīng)用。因此電子束焊不適合大型載人密封艙結(jié)構(gòu)的焊接，而比較適合于精密小型結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)件。

3.2.2 自動化焊接技術(shù)應(yīng)用

推廣使用自動化焊接技術(shù)，特別是空間曲線焊縫的自動焊接技術(shù)是載人航天器焊接工藝的發(fā)展趨勢和亟需解決的工藝難題。應(yīng)用機(jī)器人自動焊接技術(shù)，將多軸聯(lián)動的機(jī)器人與TIG、MIG或VPPA焊接系統(tǒng)相集成，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲線焊縫的自動焊接。

變極性等離子弧（VPPA）焊接方法對焊槍與工件的相對位置有嚴(yán)格要求，因此，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線焊縫的VPPA自動化焊接，要求采用多自由度的自動化焊接工藝設(shè)備，使焊槍與焊縫位置始終處于垂直向上的關(guān)系，且對裝配精度、運(yùn)動軌跡規(guī)劃和焊縫跟蹤裝置要求更高。

法蘭等空間曲線焊縫成為載人密封艙體研制的瓶頸，亟需開展空間曲線焊縫的低應(yīng)力自動焊接技術(shù)研究。

3.3 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)

3.3.1 復(fù)合材料樹脂體系篩選

復(fù)合材料中的揮發(fā)性有機(jī)物及其毒性的累積效應(yīng)是阻礙其在載人艙內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵，也是最主要的技術(shù)難點(diǎn)。

目前常用于衛(wèi)星和航天器結(jié)構(gòu)制造的樹脂基體系復(fù)合材料主要包括環(huán)氧樹脂、氰酸酯、環(huán)氧改性氰酸酯和帶有添加劑的改性氰酸酯等，其性質(zhì)與工藝條件各不相同，產(chǎn)品性能也有一定差異，需要根據(jù)復(fù)合材料樹脂基體自身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、工藝條件及其對材料安全性的作用，通過綜合性能評價與比較，選擇適當(dāng)?shù)膸追N樹脂基體系復(fù)合材料作為艙內(nèi)安全性材料的備選項(xiàng)。

3.3.2 復(fù)合材料耐燃性和耐真菌性研究

復(fù)合材料的耐燃性和耐真菌性對載人密封艙內(nèi)環(huán)境保障有著很重要的作用。國外載人航天早期的項(xiàng)目中，多次發(fā)生過由于耐燃性不符合要求而造成項(xiàng)目失敗，甚至人員傷亡的慘痛教訓(xùn)。國內(nèi)目前尚沒有適合載人艙內(nèi)復(fù)合材料耐燃性和耐真菌性測試方法與標(biāo)準(zhǔn)，可以參考借鑒美國NASA標(biāo)準(zhǔn)和美軍標(biāo)中相關(guān)內(nèi)容。

3.3.3 低揮發(fā)復(fù)合材料體系工藝優(yōu)化

根據(jù)材料篩選和測試結(jié)果，得到了能夠滿足艙內(nèi)使用條件的復(fù)合材料樹脂體系后，需要進(jìn)行適用于密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化?？紤]到艙內(nèi)環(huán)境的高要求，尤其重要的是必須在工藝過程中徹底杜絕任何可能引入污染物和揮發(fā)性毒性成分的步驟、方法與設(shè)備。

4 結(jié)束語

針對載人航天器結(jié)構(gòu)亟需解決的工藝技術(shù)瓶頸進(jìn)行了分析，提出的對策與措施基本可以滿足載人航天后續(xù)任務(wù)的要求。但從長遠(yuǎn)來看，為了適應(yīng)我國載人航天器高可靠、長壽命的發(fā)展要求，還有很多問題亟待解決，如載人密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試與評估技術(shù)等，需要大量的技術(shù)基礎(chǔ)積累和關(guān)鍵技術(shù)突破，需要更進(jìn)一步的工藝分析與研究，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)突破和技術(shù)基礎(chǔ)積累，推動載人航天更好地發(fā)展。

（References）

[1]湛永鐘, 張國定.低地球軌道環(huán)境對材料的影響[J].

宇航材料工藝, 2003, 33(1)Zhan Yongzhong, Zhang Guoding.Low earth orbit environmental effects on materials[J].Aerospace Materials & Technology, 2003, 33(1)

[2]關(guān)橋, 欒國紅.攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展[C]// 第十一次全國焊接會議, 2005