商業(yè)化液體火箭箭體結(jié)構(gòu)低成本快捷制造技術(shù)

楊瑞生，陳友偉，王婧超，叢 延

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

引 言

商業(yè)航天是航天事業(yè)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是當(dāng)今世界航天發(fā)展的大趨勢(shì)。為了適應(yīng)這種趨勢(shì)，作為運(yùn)載火箭重要組成部分的箭體結(jié)構(gòu)也在不斷探尋適用于商業(yè)航天的有效模式。

自航天事業(yè)誕生之初，各國所取得的成就，都是在國家統(tǒng)一規(guī)劃和組織下完成的，甚至是集全國之力進(jìn)行研發(fā)。早期的航天事業(yè)多用于軍事用途，技術(shù)研發(fā)封閉，基本沒有商業(yè)化用途。20世紀(jì)80年代，國際市場(chǎng)商業(yè)發(fā)射需求明顯增多，很多沒有發(fā)射能力的國家急需商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，這就給航天發(fā)射領(lǐng)域帶來了商業(yè)化要求。美國、歐洲、日本和中國均投入到商業(yè)發(fā)射領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，紛紛開展運(yùn)載火箭的商業(yè)化研制，但是此時(shí)的商業(yè)發(fā)射仍然是以國家間的競(jìng)爭(zhēng)為主，由政府部門主導(dǎo)參與[1-5]。

在此契機(jī)下，我國的液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)研制提出了“三化”理念，即通用化、系列化和模塊化[6]。通過主要組件及分系統(tǒng)的“三化”組合，使火箭具有發(fā)射不同質(zhì)量、不同軌道、不同有效載荷的能力，具有很高的可靠性和適應(yīng)性，最具代表的就是“長(zhǎng)征三號(hào)A”（CZ-3A）系列運(yùn)載火箭和我國新一代運(yùn)載火箭[7]。在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了管理模式創(chuàng)新，開展典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品組批生產(chǎn)工作，大大提高了箭體結(jié)構(gòu)的交付效率[8]。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的繁榮和工業(yè)基礎(chǔ)能力提升，以美國為首的商業(yè)航天再次煥發(fā)生命力，社會(huì)資本競(jìng)相進(jìn)入商業(yè)發(fā)射領(lǐng)域，同時(shí)也為傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)研制帶來了新技術(shù)和新模式。全球航天產(chǎn)業(yè)正處于能力和市場(chǎng)快速發(fā)展的黃金時(shí)期，商業(yè)航天成為助推航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力，是全球航天活動(dòng)的新生力量[9]。軍、政、民、商在航天活動(dòng)上的共同利益驅(qū)動(dòng)著商業(yè)航天的快速發(fā)展，推動(dòng)太空軍、民、商力量走向深度融合[10]。面對(duì)商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)的加劇，箭體結(jié)構(gòu)低成本快捷制造之路勢(shì)在必行。

1 液體火箭箭體結(jié)構(gòu)概述

液體運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)主要由貯箱結(jié)構(gòu)和艙段結(jié)構(gòu)組成，主要作用為箭體維形、結(jié)構(gòu)傳力、增壓輸送及其它系統(tǒng)儀器電纜安裝載體。貯箱結(jié)構(gòu)還用于貯存液體推進(jìn)劑，艙段結(jié)構(gòu)是除了貯箱以外的箭體結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱，又稱為干結(jié)構(gòu)。貯箱結(jié)構(gòu)和艙段結(jié)構(gòu)的零部件組成如圖1所示。

圖1 液體運(yùn)載火箭組成示意圖Fig. 1 Composition of liquid rocket

貯箱結(jié)構(gòu)主要由箱底、短殼、筒段、推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、接口附件、絕熱結(jié)構(gòu)等部分組成，如圖2所示。由于承擔(dān)貯存推進(jìn)劑的功能，對(duì)結(jié)構(gòu)密封性能要求較高，常規(guī)金屬貯箱各零部件間主要通過焊接裝配，貯箱各組成部分又涉及到各種制造工藝，衍生出了如貯箱箱底的制造技術(shù)，組成筒段和短殼的壁板等大型零件的制造技術(shù)，共底結(jié)構(gòu)的特殊制造工藝等。對(duì)于追求輕質(zhì)高效的復(fù)合材料貯箱則又有一系列的制造技術(shù)。

圖2 貯箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Schematic diagram of the tank structure

艙段結(jié)構(gòu)包括典型的蒙皮桁條結(jié)構(gòu)、桿系結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)等。蒙皮桁條主要通過鉚接方式裝配，裝配時(shí)可以采用整部段同時(shí)上架鉚接或者組成蒙皮桁條類壁板后再上架裝配的形式。夾層類結(jié)構(gòu)則又可能涉及復(fù)合材料的制造工藝。

通過上文可知液體火箭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，我國某型運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的零件總數(shù)大概3萬件，新一代低溫運(yùn)載火箭系統(tǒng)更復(fù)雜，零部件數(shù)量更多，涉及了大量制造技術(shù)。同時(shí)箭體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品尺度大，使得制造工藝復(fù)雜，加上運(yùn)載火箭任務(wù)定制化需求，每發(fā)火箭都需要進(jìn)行改裝研制，研發(fā)成本高、周期長(zhǎng)。技術(shù)創(chuàng)新依托型號(hào)牽引，技術(shù)進(jìn)步慢，知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)應(yīng)用動(dòng)力不足，國企機(jī)制限制較多，這些都限制了箭體結(jié)構(gòu)的商業(yè)化發(fā)展。

為了解決以上困局，開拓液體火箭商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)，真正做到低成本、快履約，需要結(jié)合重點(diǎn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造技術(shù)現(xiàn)狀，進(jìn)行快捷制造技術(shù)探索。重視創(chuàng)新與繼承相結(jié)合，推動(dòng)高新技術(shù)融合，將新材料、新裝備應(yīng)用于結(jié)構(gòu)制造，降低了航天制造的門檻，使航天器研制可以在更低成本、更小型化的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2 液體火箭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 箱底制造技術(shù)

目前國內(nèi)貯箱箱底普遍采用頂蓋、瓜瓣、叉形環(huán)及法蘭等零件焊接裝配而成，但隨著國內(nèi)裝備及制造水平的不斷提升，以整體成型為代表的箱底制造技術(shù)迅速發(fā)展。整體成型箱底可大幅度縮減工序、降低成本、提高生產(chǎn)效率，另外由于減少了多條主焊縫，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的同時(shí)提高了產(chǎn)品可靠性，已逐漸成為未來箱底制造的發(fā)展趨勢(shì)。

箱底整體成型主要存在三種技術(shù)實(shí)施途徑：整體旋壓成型、流體壓力成型以及多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成型。整體旋壓成型又可分為有芯膜旋壓和無芯膜旋壓等。

整底旋壓成型工藝在國外發(fā)展已經(jīng)非常成熟。2007年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）采用有芯模熱旋工藝制造了直徑Φ4.2 m箱底，使用的原材料為2195Al-Li合金，其制造流程為：板料焊接→焊后熱處理→強(qiáng)力旋壓→熱處理→機(jī)械加工[11]。H-2B火箭Φ5.2 m貯箱箱底由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）和三菱重工于2008年、在H-2A火箭Φ4 m貯箱箱底基礎(chǔ)上共同開發(fā)、制造，其制造工藝如下：將大尺寸的鋁合金板材置于碗狀模具上進(jìn)行多道次擠壓塑性變形以實(shí)現(xiàn)預(yù)成型效果，然后對(duì)預(yù)成型構(gòu)件進(jìn)行多道次旋壓終成型，其中多道次預(yù)成型及旋壓終成型過程中要反復(fù)進(jìn)行熱處理和機(jī)械加工，最后將終成型構(gòu)件精加工為符合要求的貯箱箱底[12]。2009年，NASA與德國MT空間研究所合作，采用攪拌摩擦焊工藝制備旋壓板料，利用MT空間研究所的“凹面凈近旋壓成型技術(shù)”（2006年申請(qǐng)專利），采用無芯模對(duì)輪旋壓直接成型了直徑Φ5.5m貯箱箱底。歐洲針對(duì)“阿麗亞娜5號(hào)”（Ariane 5）火箭5 m直徑2 219鋁合金箱底進(jìn)行了整體旋壓攻關(guān)[13]，美國也進(jìn)行了5.5 m直徑2 195鋁鋰合金箱底旋壓工藝開發(fā)[14]。

目前國外主流運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱箱底均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了整體旋壓成型，如表1所示。

表1 國外旋壓成形箱底應(yīng)用情況Table 1 The forming technology of foreign tank dome

流體壓力成型也稱高壓流體成型或內(nèi)高壓成型，其原理是將板材裝夾在中空模具里，利用高壓液體（水溶液或者油液）作為成型介質(zhì)，對(duì)坯料施加超高壓，同時(shí)在坯料的適當(dāng)部位施加其它作用力，使得坯料產(chǎn)生塑性變形，并在多種外力作用下與模具緊密貼合，最終形成中空的整體結(jié)構(gòu)零部件[15]，如圖3所示。

圖3 流體成形整體箱底Fig. 3 The integral hydroforming tank dome

哈爾濱工業(yè)大學(xué)苑世劍教授團(tuán)隊(duì)提出的雙向可控加壓流體高壓成型新技術(shù)攻克了火箭燃料貯箱箱底成型中起皺和開裂缺陷并存的國際性難題，突破國外技術(shù)封鎖，在國際上首次直接成型出運(yùn)載火箭直徑Φ3m級(jí)燃料貯箱薄壁整體箱底。

華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心基于多級(jí)多向脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成型技術(shù)，提出一種以電磁力代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械壓力的電磁壓邊方法和適于高速成型的慣性約束工裝平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)成型過程中大尺度構(gòu)件成型受壓力設(shè)備臺(tái)面尺寸限制的問題，實(shí)現(xiàn)了壓邊力、成型力的解耦調(diào)控，為大型殼體件的整體成型提供了有效手段[16]。

2.2 壁板制造技術(shù)

2.2.1 貯箱壁板制造工藝

根據(jù)具體載荷條件不同，貯箱壁板可設(shè)計(jì)為光筒結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)，光筒結(jié)構(gòu)一般用于內(nèi)壓設(shè)計(jì)，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)則在軸壓設(shè)計(jì)時(shí)表現(xiàn)出更高的結(jié)構(gòu)效率。光筒壁板由于具有均勻的厚度，其制造工藝相對(duì)穩(wěn)定成熟。網(wǎng)格加筋壁板由于筋條結(jié)構(gòu)的存在需綜合考慮壁板減薄及滾彎工藝。

化銑加工不產(chǎn)生切削應(yīng)力，非常適用于特薄、易變形、大面積的零件，因此在早期貯箱壁板等大型零件的減薄上得到廣泛應(yīng)用?；娂庸すに嚪椒ㄊ褂脧?qiáng)酸、強(qiáng)堿腐蝕液實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的銑切加工，對(duì)零件的加工精度控制則通過涂保護(hù)膠和刻形實(shí)現(xiàn)，由工人手工操作完成?；姽に嚪椒ㄒ蚴褂脧?qiáng)腐蝕性化學(xué)介質(zhì)，對(duì)環(huán)境有害，并且零件的加工精度嚴(yán)重依賴工人手工操作。

為實(shí)現(xiàn)壁板厚度精確控制、綠色制造的要求，壁板機(jī)械銑成為替代化銑工藝的首選方案。壁板機(jī)械銑成熟的工藝方案包括先銑后彎和先彎后銑兩類。先銑后彎，為平板狀態(tài)加工出網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再鈑彎成曲板。此種加工方法對(duì)機(jī)加設(shè)備要求稍低，但是因網(wǎng)格分布不均勻造成局部剛度變化，對(duì)鈑彎成型工序要求高。天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司通過采用滾彎與壓彎相結(jié)合的工藝方法，克服了數(shù)銑短殼壁板成型過程中容易出現(xiàn)裂紋的問題[17]。首都航天機(jī)械公司成功制造出我國首個(gè)3 350 mm直徑火箭貯箱蠕變時(shí)效成型壁板，有效解決了壁板生產(chǎn)過程中外形尺寸、加工精度等難以控制的問題[18]。先彎后銑與之相反，先鈑彎成曲板或根據(jù)需要焊接成筒段后進(jìn)行網(wǎng)格加工。此方案對(duì)網(wǎng)格機(jī)械加工設(shè)備要求較高，如何保證蒙皮精確銑以及解決銑切完成后壁板的變形問題是該工藝路線的研究難點(diǎn)。目前我國新一代運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱壁板多采用先銑后彎的工藝。

2.2.2 艙段整體機(jī)加壁板

隨著歐美國家整體工業(yè)能力的提升，機(jī)加壁板紛紛作為新一代運(yùn)載火箭的主流壁板成型工藝，這其中以美國的航天發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）和歐洲的“阿麗亞娜6號(hào)”為代表。

SLS的殼段結(jié)構(gòu)均采用格加筋壁板結(jié)構(gòu)，也是國內(nèi)外唯一采用網(wǎng)格加筋壁板結(jié)構(gòu)作為主承力殼段結(jié)構(gòu)的重型火箭。其大部分網(wǎng)格加筋板由AMRO公司生產(chǎn)提供，視不同情況分別采用先滾彎后機(jī)加和先機(jī)加后滾彎的成型方案，然后交付新奧爾良的米丘德（Michoud）裝配廠采用攪拌摩擦焊組裝。不只所有的均勻承力結(jié)構(gòu)采用了網(wǎng)格加筋板，存在捆綁集中力的箱間段也采用網(wǎng)格加筋板[19]，如圖4所示。

圖4 SLS箱間段壁板Fig. 4 Panels of SLS inter tank structure

歐洲“阿麗亞娜6號(hào)”運(yùn)載火箭雖然不是重型運(yùn)載火箭，但是作為替代“阿麗亞娜5號(hào)”的新一代運(yùn)載火箭，設(shè)計(jì)方案重點(diǎn)以低成本為主，所以其艙段方案采用“壁板+中間框”的方案[20]?！鞍Ⅺ悂喣?號(hào)”的箱間段和裝配生產(chǎn)線如圖5所示。

圖5 “阿麗亞娜6號(hào)”的箱間段和裝配生產(chǎn)線Fig. 5 The inter tank structure and final assembly line of Ariane 6

比起SLS全加工壁板，“阿麗亞娜6號(hào)”的壁板只有縱向筋條，環(huán)向加強(qiáng)采用傳統(tǒng)的中間框，兩者通過自動(dòng)鉚接機(jī)器人鉚接組裝?！鞍Ⅺ悂喣?號(hào)”的整艙成型方案可以看成是基于現(xiàn)有基礎(chǔ)能力的低成本優(yōu)化。

目前國內(nèi)Φ3 m以上大直徑殼段結(jié)構(gòu)還沒有整體機(jī)加壁板結(jié)構(gòu)。就目前的研制情況而言難度非常大，艙段的高強(qiáng)鋁合金、高筋薄蒙皮結(jié)構(gòu)是對(duì)鑄錠、板材軋制、機(jī)加、滾彎、熱處理、矯形、焊接全工藝流程的更新?lián)Q代，目前國內(nèi)的工業(yè)基礎(chǔ)能力不足以支撐低成本快捷制造壁板方案。

2.3 共底制造技術(shù)

共底貯箱可縮短箭體長(zhǎng)度以改善全箭長(zhǎng)細(xì)比，同時(shí)取消箱間段可減輕結(jié)構(gòu)重量，從而提高結(jié)構(gòu)效率[21-22]，這些優(yōu)勢(shì)使共底貯箱特別是低溫共底貯箱成為運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。共底結(jié)構(gòu)一般由上下金屬底和中間夾層結(jié)構(gòu)粘接而成，如圖6所示。相對(duì)于傳統(tǒng)箱底，共底結(jié)構(gòu)金屬箱底更薄，對(duì)箱底焊接水平要求更為嚴(yán)格。同時(shí)中間夾層的成型制造工藝、夾層與上下底間的型面貼合及粘接質(zhì)量成為共底制造的關(guān)鍵技術(shù)。

圖6 共底結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 6 Schematic diagram of the common bulkhead

目前，低溫共底貯箱已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多個(gè)運(yùn)載火箭型號(hào)，如國外的“土星5號(hào)”（Saturn Ⅴ）、“阿麗亞娜5號(hào)”（Ariane Ⅴ）[23-24]，國內(nèi)的“長(zhǎng)征三號(hào)A”（CZ-3A）系列[25]和某型新一代運(yùn)載火箭[26]，共底夾層材料一般選用蜂窩夾芯、高性能泡沫以及蜂窩夾芯填充高性能泡沫3種方案。

“阿麗亞娜5號(hào)”新型上面級(jí)貯箱共底研制過程中，泡沫夾芯的制作過程為：加熱發(fā)泡→壓?！鋮s固化。固化后的泡沫塊材，可通過機(jī)加工進(jìn)行修形處理。發(fā)泡熱成型涉及的基本參數(shù)：溫度、壓力和時(shí)間。最終最需要控制的成型成性因素有：熱收縮（冷卻回彈）、三維彎曲（應(yīng)力狀態(tài)），這也是發(fā)泡成型工藝的核心技術(shù)。采用注射樹脂的方法，實(shí)現(xiàn)泡沫層與LH2箱底金屬面結(jié)合。注射的材料為雙組分環(huán)氧樹脂，通過注射孔擠入夾層及赤道面區(qū)[24]。上海航天設(shè)備制造總廠在某型新一代運(yùn)載火箭貯箱大溫差泡沫夾層共底研制研制過程中，采用泡沫仿形加工提高了面板與泡沫夾芯型面適配性。采用真空輔助成型（Vacuum Assisted Resin lnfusion，VARI）技術(shù)進(jìn)行共底膠接裝配，成功研制出了采用PMI夾層的適用于液氧煤油推進(jìn)劑的共底貯箱[26]。

同時(shí)，共底貯箱箱底制造也可應(yīng)用上文提到的整體成型箱底，從而為共底粘接提供更加良好的型面。

2.4 蒙皮桁條結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

2.4.1 傳統(tǒng)手工鉚接工藝

艙段結(jié)構(gòu)以蒙皮桁條式的鋁合金半硬殼結(jié)構(gòu)為主，廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外箭體結(jié)構(gòu)中。整個(gè)艙段結(jié)構(gòu)一般采用2～4塊桁條蒙皮壁板圍成，蒙皮厚度一般為1.2 ～3 mm，桁條一般選用高強(qiáng)鋁合金型材。蒙皮、桁條和儀器支架使用鉚接方式進(jìn)行組合裝配，具有代表性的鋁合金艙段結(jié)構(gòu)包括儀器艙、箱間段、級(jí)間段、后過渡段和尾段等，結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖7 半硬殼結(jié)構(gòu)Fig. 7 The semi-rigid shell structure

蒙皮桁條艙段雖然工藝簡(jiǎn)單成熟，但也存在諸多弊端：

1）工序周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)和管理成本高。鉚釘連接雖然工藝簡(jiǎn)單，但是需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量的零件裝配設(shè)計(jì)，尤其是因儀器位置更改引起的鉚釘設(shè)計(jì)幾乎占到殼段設(shè)計(jì)的30%～40%左右，并且會(huì)造成相同零件因不同鉚釘設(shè)計(jì)而圖號(hào)大量增多。圖號(hào)增多無法實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)及貨架式管理，大大增加了殼段生產(chǎn)的管理成本，零件難以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品成本居高不下。

2）勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。目前的鉚接工藝依舊采用傳統(tǒng)的手工氣動(dòng)鉚接工藝，即一人使用鉚槍連續(xù)沖擊鉚釘，同時(shí)另一人使用頂鐵頂住鉚釘，手工配合操作，使得鉚釘形成有效的墩頭，如圖8所示。此種方法不但人力成本高，而且工作效率非常低。

圖8 手工鉚接示意圖Fig. 8 The schematic diagram of artificial riveting

3）工作環(huán)境差，影響工人身心健康。沖擊噪聲達(dá)到110～130 dB，內(nèi)部噪聲可達(dá)到140 dB，對(duì)員工的手關(guān)節(jié)、耳朵、心臟等存在損傷。

4）鉚接質(zhì)量一致性差。由于鉚接由工人手工操作，與工人的技能水平和熟練程度息息相關(guān)，鉚接質(zhì)量一致性很難保證，容易出現(xiàn)鉚釘頭偏移、釘桿歪斜、接合面有縫隙等缺陷。圖9所示為典型的鉚接缺陷，這些都會(huì)影響艙段結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖9 典型手工鉚接缺陷Fig. 9 Typical artificial riveting defects

2.4.2 自動(dòng)鉚接壁板

自動(dòng)鉚接壁板是采用自動(dòng)化設(shè)備替代人工鉚接，結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有變化，具有鉚接效率高和質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外大飛機(jī)的壁板已經(jīng)大面積采用自動(dòng)化鉚接設(shè)備（如圖10所示），近幾年國內(nèi)航天艙段結(jié)構(gòu)也大量采用自動(dòng)化鉚接替代人工鉚接，部分結(jié)構(gòu)采用了低壓電磁鉚接技術(shù)[27]。首都航天機(jī)械有限公司對(duì)運(yùn)載火箭錐體殼段壁板典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚技術(shù)研究，驗(yàn)證了錐體殼段壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的可行性和可靠性[28]。同時(shí)，采用單元制造模式，構(gòu)造優(yōu)良的單元布局，符合艙段結(jié)構(gòu)多品種、小批量的特點(diǎn)[29]。

圖10 自動(dòng)鉚接飛機(jī)機(jī)身壁板Fig. 10 The automatically riveted aircraft fuselage panel

2.4.3 焊接成型壁板

隨著新材料、新工藝以及新的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，采用新型先進(jìn)的焊接技術(shù)將蒙皮與眾多的長(zhǎng)桁、加強(qiáng)框焊接成一體的新型整體化帶筋壁板，在當(dāng)代先進(jìn)飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如空客340HGW飛機(jī)上采用了14塊激光焊接的整體化帶筋壁板，巴航Legacy-450、500飛機(jī)采用新型固相焊接技術(shù)–攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding ，F(xiàn)SW）實(shí)現(xiàn)了機(jī)身蒙皮與蒙皮的FSW對(duì)接焊以及蒙皮與長(zhǎng)桁的FSW搭接焊；美國Elipse公司更是研制批產(chǎn)了“全攪拌摩擦焊”飛機(jī)N500（圖11），取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

圖11 全攪拌摩擦焊飛機(jī)N500Fig. 11 N500—full friction stir welding aircraft

攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航天領(lǐng)域[30]，美國AMP公司對(duì)飛機(jī)機(jī)身平板與T型筋進(jìn)行回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊連接，具有焊后無匙孔、焊點(diǎn)成型美觀以及內(nèi)部無缺陷等優(yōu)點(diǎn)。該公司同時(shí)利用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)對(duì)飛機(jī)機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)的鉚釘進(jìn)行修復(fù)，從而提高了結(jié)構(gòu)件的使用壽命。日本住友輕金屬公司則采用攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接的列車鋁合金帶筋壁板結(jié)構(gòu)零件，通過測(cè)試評(píng)定認(rèn)定該結(jié)構(gòu)件達(dá)到了其設(shè)計(jì)使用要求。

由于桁條與壁板通過焊接方式裝配，焊接成型壁板具有良好的密封性能，該工藝方案已經(jīng)被成功應(yīng)用于“獵鷹9號(hào)”運(yùn)載火箭的貯箱，該火箭煤油貯箱為蒙皮–桁條–環(huán)框式結(jié)構(gòu)[31]，這可以有效提高筒段結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品化程度。

2.5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品

追求結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、追求最大結(jié)構(gòu)效率一直是航天運(yùn)載器發(fā)展的不懈目標(biāo)。復(fù)合材料具有輕質(zhì)高剛度的特點(diǎn)，可有效降低結(jié)構(gòu)重量，提升火箭運(yùn)載能力，完全符合這一目標(biāo)。國內(nèi)外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)均在不同程度上采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，相關(guān)制造技術(shù)也日趨成熟。

2.5.1 復(fù)合材料艙段結(jié)構(gòu)

箭體結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料在艙段結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)包括有效載荷支架、級(jí)間段、箱間段和整流罩。

在開展SLS運(yùn)載火箭研制之前，美國星座計(jì)劃中論證了重型火箭“戰(zhàn)神5號(hào)”（Ares Ⅴ），其芯級(jí)直徑10 m。NASA針對(duì)整流罩、箱間段和級(jí)間段等典型殼段結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化需求，發(fā)起了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)項(xiàng)目（ACT），本項(xiàng)目的目的就在于對(duì)比復(fù)合材料與金屬材料的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)型，綜合設(shè)計(jì)與制造的各種因素，選出最具輕質(zhì)化效率的殼段結(jié)構(gòu)構(gòu)型。該項(xiàng)目的參與者包括NASA下設(shè)的6個(gè)研究中心，以及生產(chǎn)廠和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件公司的工程師們。該項(xiàng)目以級(jí)間段為例，綜合對(duì)比了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、泡沫夾芯結(jié)構(gòu)、加筋增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)、波紋夾芯結(jié)構(gòu)、縱向加筋結(jié)構(gòu)、蒙皮桁條結(jié)構(gòu)和波音公司的復(fù)合結(jié)構(gòu)PRSEUS（拉擠棒縫合高效復(fù)合結(jié)構(gòu)）等構(gòu)型，并綜合制造成本與周期等設(shè)計(jì)考慮對(duì)各種構(gòu)型進(jìn)行了綜合評(píng)估，最終選用了蜂窩夾層筒結(jié)構(gòu)，其依據(jù)是蜂窩夾層筒的制造成本低、工藝簡(jiǎn)單、可靠性高[32]。目前國外主流火箭中，“德爾他4號(hào)”和H2A火箭級(jí)間段采用碳面板PMI夾芯復(fù)合材料[33-34]，“獵鷹9號(hào)”火箭級(jí)間段采用碳面板鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。國外的5m級(jí)整流罩中廣泛采用夾層結(jié)構(gòu)形式。表2列出了目前國外主要大型運(yùn)載火箭型號(hào)的整流罩主體結(jié)構(gòu)信息。由表2可見，在“阿麗亞娜5號(hào)”“宇宙神5號(hào)”“獵鷹9號(hào)”等新型運(yùn)載火箭整流罩中，已全部采用了碳環(huán)氧復(fù)合材料+鋁蜂窩式的組合結(jié)構(gòu)。

表2 國外大型整流罩結(jié)構(gòu)形式Table 2 Structure of foreign large payload fairing

2.5.2 復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)

推進(jìn)劑貯箱（以下簡(jiǎn)稱貯箱）是航天運(yùn)載器動(dòng)力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。以一次性使用運(yùn)載火箭為例，貯箱約占結(jié)構(gòu)重量的60%左右，其輕質(zhì)化水平?jīng)Q定著運(yùn)載器的主要性能指標(biāo)[35]。研究表明，復(fù)合材料應(yīng)用于運(yùn)載器貯箱可使結(jié)構(gòu)減重20%～40%，而且綜合成本也會(huì)大幅下降（NASA研制Φ10 m復(fù)合材料貯箱目標(biāo)是減重30%，綜合成本降低25%）。NASA將復(fù)合材料低溫貯箱計(jì)劃列為“Game Changing Development Program”（GCDP）計(jì)劃之一，充分體現(xiàn)了該項(xiàng)技術(shù)的重要性[36]。復(fù)合材料貯箱在重量和成本方面顯現(xiàn)的巨大優(yōu)勢(shì)，使其成為未來運(yùn)載火箭貯箱材料發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

國外復(fù)合材料貯箱研究已經(jīng)取得突破，從1996年采用復(fù)合材料液氫貯箱的DC-XA飛行成功，到2004年上面級(jí)和助推器均采用復(fù)合材料貯箱的Delta Ⅳ飛行成功，再到2011年NASA委托Boeing公司研制Φ10 m復(fù)合材料貯箱，且于2014年完成Φ5.5 m復(fù)合材料試驗(yàn)貯箱的綜合試驗(yàn)。由此可見，復(fù)合材料貯箱正從小直徑、小容量到大直徑、大容量方向發(fā)展。國外復(fù)合材料貯箱與金屬貯箱對(duì)比情況如圖12所示。目前，國內(nèi)在復(fù)合材料貯箱的研究上發(fā)展相對(duì)落后，特別是對(duì)于液氧相容性等問題認(rèn)識(shí)較晚，直到2002年，國家“863”項(xiàng)目才開始了聚合物基復(fù)合材料與液氧相容性研究，并研制出國內(nèi)首個(gè)H2O2復(fù)合材料貯箱[35]。

圖12 國外復(fù)合材料貯箱與金屬貯箱對(duì)比情況[36]Fig. 12 Foreign composite tank and metals tank comparison[36]

復(fù)合材料貯箱技術(shù)的應(yīng)用，需要建立適用于不同推進(jìn)劑的材料體系，解決液氫滲透性和液氧相容性等關(guān)鍵問題，建立一套完整的工藝體系和制造基礎(chǔ)設(shè)施，其研制難度較大。近年來，在國防“973”等項(xiàng)目的推進(jìn)下，眾多國內(nèi)高校、研究院所都在進(jìn)行有關(guān)復(fù)合材料低溫貯箱的關(guān)鍵性技術(shù)研究工作，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料貯箱的工程化應(yīng)用[37]。

2.6 小結(jié)

國內(nèi)外基礎(chǔ)工業(yè)能力的提升以及先進(jìn)制造理念的不斷實(shí)現(xiàn)，使箭體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)迅速發(fā)展。除了文中提到的制造技術(shù)外，貯箱焊接技術(shù)如TIG焊、電子束焊、攪拌摩擦焊均獲得了較大的發(fā)展，3D打印、擠壓壁板等新型工藝也日趨成熟。在這種背景下，運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的提升及制造成本的降低具備了足夠的基礎(chǔ)。

3 CZ-8運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)低成本快捷制造探索

為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)產(chǎn)品降本增效的目標(biāo)，需綜合考慮箭體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造周期內(nèi)的各項(xiàng)因素，包括原材料成本與結(jié)構(gòu)效率的關(guān)系，關(guān)鍵產(chǎn)品制造技術(shù)的成熟度以及生產(chǎn)效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)快捷制造工藝性的適應(yīng)等。依據(jù)這幾項(xiàng)因素，基于現(xiàn)有制造技術(shù)，并深入融合設(shè)計(jì)工藝一體化理念，CZ-8/RH構(gòu)型開展了在商業(yè)化運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)低成本快捷制造的探索。

3.1 貯箱結(jié)構(gòu)材料選用

貯箱原材料是影響產(chǎn)品成本的重要因素，也是決定制造工藝是否可行的重要因素。國內(nèi)運(yùn)載火箭經(jīng)過幾十年的發(fā)展，貯箱材料先后經(jīng)歷了5A06、2A14、2 219三代鋁合金。經(jīng)過對(duì)比分析，CZ-8/RH構(gòu)型的推進(jìn)劑貯箱最終選用了5A06鋁合金作為主結(jié)構(gòu)材料。主要考慮了以下幾個(gè)因素。

1）5A06 鋁合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，相對(duì)于2A14以及2 219，價(jià)格成本降低了一半以上，可大幅降低原材料成本。

2）5A06 具備更均衡的性能，表3列出了3種材料常溫力學(xué)性能對(duì)比情況。從表3中可見5A06鋁合金具備更高的比模量，應(yīng)用在軸壓作用的壁板結(jié)構(gòu)具備較好的重量表現(xiàn)。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的貯箱，5A06工藝性能好，焊接系數(shù)高達(dá)0.9，而傳統(tǒng)的2A14、2 219材料僅為0.5，這種高焊接性能對(duì)焊接區(qū)的力學(xué)性能削弱非常小，所以可以將薄區(qū)和焊接區(qū)設(shè)計(jì)為等厚度，使其在比強(qiáng)度最小的情況設(shè)計(jì)出的箱底相對(duì)于其它兩種材料無明顯增重。另外，5A06材料的可成型性較好，更適用于整底旋壓成型工藝的應(yīng)用。

表3 貯箱材料常溫力學(xué)性能對(duì)比Table 3 Comparison of mechanical properties of tank materials at room temperature

3）作為商業(yè)化運(yùn)載火箭，在大幅降低制造成本的情況下，CZ-8結(jié)構(gòu)可以接受因采用5A06材料所造成的產(chǎn)品增重。

3.2 箱底整體成型技術(shù)應(yīng)用

面對(duì)多種整體成型箱底技術(shù)，CZ-8/RH構(gòu)型的貯箱最終選擇了目前比較成熟的整體旋壓成型工藝。目前，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院211廠已掌握相關(guān)制造技術(shù)，并制造出采用旋壓成型制造的箱底，如圖13所示。該箱底采用“整體成型+整體加工”的方案，取消了貯箱箱底全部主焊縫，避免了因焊縫質(zhì)量問題帶來的風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)箱底與叉形環(huán)一次成型，不僅可以大幅提升箱底整體性能，生產(chǎn)周期和成本也可降低一半以上[38]。

圖13 采用旋壓成型制造的箱底Fig. 13 A tank dome made by spin forming

除了因焊縫減少而提升箱底可靠性及提升效率外，帶叉型環(huán)整體旋壓箱底使箱底型面更加理想，減少甚至消除了因焊接帶來的箱底變形，使貯箱為其它系統(tǒng)和產(chǎn)品提供了更加準(zhǔn)確的對(duì)接裝配接口。

3.3 光筒殼箱筒段方案

貯箱的箱筒段作為貯箱主要承載結(jié)構(gòu)，為了減輕重量，通常采用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率最優(yōu)。但對(duì)于更加注重產(chǎn)品綜合效益的商業(yè)運(yùn)載火箭，經(jīng)過論證，在對(duì)運(yùn)載能力影響較小的一級(jí)和助推器貯箱結(jié)構(gòu)采用光筒殼是一種更具經(jīng)濟(jì)性的可行方案。

首先是原材料成本得到降低，在同樣承載能力下，雖然光筒壁板產(chǎn)品較網(wǎng)格加筋壁板產(chǎn)品的重量有所增加，但由于其最厚處要小于筋條高度，所需原材料厚度更薄。其次，壁板網(wǎng)格銑切是筒段成本的最重要部分，光筒殼可節(jié)省這部分加工的成本。更重要的是，光筒殼壁板在制造效率上有了極大的提升，相對(duì)于網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)單塊壁板生產(chǎn)周期可節(jié)省30%以上。同時(shí)可直接領(lǐng)料進(jìn)行滾彎，為避免厚度超差或缺陷，在滾彎前增加機(jī)械銑切飛邊工作，但相較原復(fù)雜壁板仍可縮短約3/4周期；滾彎成形較原帶網(wǎng)格壁板容易，可節(jié)省成型、修整周期；5A06材料不需陽極化處理，亦可節(jié)省大量周期。綜上，更換為光筒結(jié)構(gòu)后，單塊壁板成形周期可節(jié)省數(shù)天，對(duì)于包含多塊壁板的貯箱，制造效率將大幅提升。

此外，CZ-8/RH構(gòu)型的助推器貯箱將傳統(tǒng)的單筒段3塊壁板拼焊改為2塊壁板拼焊，提升了貯箱筒段制造效率及可靠性，在未來隨著工藝技術(shù)進(jìn)步，單塊壁板滾彎焊接或者更高效經(jīng)濟(jì)的筒段制造工藝都有可能快速獲得應(yīng)用。

3.4 艙段快捷制造

通過對(duì)艙段結(jié)構(gòu)制造技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，其共同點(diǎn)都是基于先進(jìn)工藝，減少零部件數(shù)量，提升自動(dòng)化水平，從而降低制造周期和成本。整體機(jī)加壁板和焊接成型壁板國內(nèi)工藝仍處于探索階段，短時(shí)間仍難以突破，所以對(duì)自動(dòng)鉚接壁板的進(jìn)一步挖潛成為艙段快捷制造技術(shù)的突破點(diǎn)。自動(dòng)鉚接航天結(jié)構(gòu)如圖14所示。CZ-8艙段結(jié)構(gòu)為了降低研制成本，大量繼承在飛型號(hào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，部段仍大量采用蒙皮桁條半硬殼結(jié)構(gòu)，但是裝配工藝改為先進(jìn)的自動(dòng)鉚接壁板裝配制造技術(shù)。從而有效克服了傳統(tǒng)鉚接工序周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)和管理成本高等缺點(diǎn)。

圖14 自動(dòng)鉚接航天結(jié)構(gòu)Fig. 14 The automatically riveted aerospace structure

同時(shí)，為了進(jìn)一步提高自動(dòng)化鉚接水平，提高標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，開展了零件級(jí)產(chǎn)品化工作，著力縮減零件種類。通過對(duì)整箭的零件統(tǒng)計(jì)，根據(jù)需求統(tǒng)一全箭電纜夾子和合頁，將約30種零組件圖號(hào)統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)件選用；統(tǒng)一全箭桁條原材料牌號(hào)，型材種類縮減約40%；梳理和優(yōu)化全箭進(jìn)艙操作流程，統(tǒng)一開口大小為通用型譜規(guī)格，減少操作艙口蓋數(shù)量約25%；為適應(yīng)自動(dòng)鉚接工藝，合并桁條圖號(hào)，部分殼段桁條圖號(hào)縮減為23%。零件通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高，大大減少了蒙皮桁條類艙段結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品備料、制造準(zhǔn)備周期，也極大地提高了自動(dòng)化鉚接技術(shù)應(yīng)用效率，成為助力箭體結(jié)構(gòu)低成本快捷制造的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)束語

低成本快捷制造是商業(yè)化運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)的必然趨勢(shì)。隨著我國工業(yè)基礎(chǔ)能力的不斷提升，整底成型、自動(dòng)鉚接等技術(shù)日趨成熟，復(fù)合材料、貯箱共底等結(jié)構(gòu)的制造工藝不斷完善，結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造降本增效的選擇更加豐富。同時(shí)考慮標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)技術(shù)積累，商業(yè)化液體火箭結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)形成了包括材料、工藝、設(shè)計(jì)的低成本快捷制造方案庫。箭體結(jié)構(gòu)低成本快捷制造在技術(shù)方面的核心問題之一就是如何解決好材料、工藝、設(shè)計(jì)這三者之間的關(guān)系，使其在運(yùn)載能力等條件的約束下獲取最優(yōu)的綜合方案。

CZ-8/RH構(gòu)型的箭體結(jié)構(gòu)方案展示了在商業(yè)航天背景下結(jié)構(gòu)快捷制造的一種解決思路。隨著越來越多的商業(yè)航天公司和商業(yè)運(yùn)載火箭型號(hào)的加入，在低成本快捷制造這一未來商業(yè)化液體火箭競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)的推動(dòng)下，相關(guān)問題必將逐漸解決，這也將成為推動(dòng)中國航天制造技術(shù)創(chuàng)新變革的重要?jiǎng)恿?。同時(shí)，在商業(yè)航天的浪潮下，除箭體結(jié)構(gòu)外，運(yùn)載火箭總體及其它分系統(tǒng)也必將迎來顛覆性發(fā)展。