中國液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃研究

顧名坤,何 巍,唐 科，王會(huì)平,鄢東洋,馮韶偉

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由貯箱、殼段和特殊功能機(jī)構(gòu)組成，具有承載、支承和容納的功能。承載指承受、傳遞各種載荷，例如發(fā)動(dòng)機(jī)推力、氣動(dòng)力、操縱力等；支承指為電氣系統(tǒng)儀器設(shè)備及其電纜、發(fā)動(dòng)機(jī)、管路、閥門等提供安裝基礎(chǔ)，并提供良好的力熱環(huán)境；容納指貯存發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所用的推進(jìn)劑。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是輕質(zhì)化、經(jīng)濟(jì)性和工藝性。輕質(zhì)化是使結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，實(shí)現(xiàn)最大的結(jié)構(gòu)效率；經(jīng)濟(jì)性是使產(chǎn)品成本小，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化；工藝性是使產(chǎn)品具備良好的制造可行性、裝配可達(dá)性和維修方便性。

我國航天事業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，掌握了運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，建成了航天基礎(chǔ)工業(yè)體系，支撐了我國四代運(yùn)載火箭的研制，走出了一條獨(dú)立自主的發(fā)展道路；但是在材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面，與國外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仍有較大差距。隨著云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)工業(yè)能力的進(jìn)步，一些新型高性能原材料具備了應(yīng)用條件，商業(yè)軟件提供了更快速、更全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，智能化生產(chǎn)裝備使大型零部件的成形工藝多樣化，有效支撐了結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)迎來了較好的發(fā)展機(jī)遇。但是，面臨多種高性能材料、多項(xiàng)結(jié)構(gòu)形式和多樣化的制造工藝，運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也面臨多種發(fā)展方向。因此，有必要系統(tǒng)開展結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃研究，明晰發(fā)展方向，為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和裝備制造發(fā)展提供重要指導(dǎo)。

1 國外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)總體技術(shù)

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)主要包括全箭傳力路線設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)、機(jī)械接口設(shè)計(jì)和總裝設(shè)計(jì)等方面，是型號(hào)總體設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的橋梁。捆綁傳力方案、發(fā)動(dòng)機(jī)布局及傳力方案、發(fā)射支撐方案、貯箱布局方案等是火箭總體方案的重要組成部分，直接影響火箭構(gòu)型設(shè)計(jì)和載荷設(shè)計(jì)。隨著軟件技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，載荷、布局及結(jié)構(gòu)逐漸由傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俚鷥?yōu)化設(shè)計(jì)，成為提高火箭運(yùn)載效率的重要途徑。

助推器捆綁傳力設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科優(yōu)化的問題，涉及助推器和芯一級(jí)的捆綁機(jī)構(gòu)及集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、助推器和芯一級(jí)的支撐形式、助推器和芯一級(jí)貯箱及殼段的結(jié)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)、不同傳力形式下對(duì)運(yùn)載效率的影響等，是帶助推器捆綁的火箭總體構(gòu)型設(shè)計(jì)中必須要考慮的重要問題。國外多數(shù)大型助推器都采用前捆綁傳力方案，如航天飛機(jī)、阿里安5等；若要兼顧串聯(lián)構(gòu)型和捆綁不同數(shù)量助推器的構(gòu)型，則一般采用后捆綁傳力。加注豎立狀態(tài)時(shí)，前傳力方案一般采用助推器支撐。后傳力方案的發(fā)射支撐方式則比較靈活，有的采用芯級(jí)支撐，如H-IIA；有的采用助推支撐，如大力神3C；有的采用助推器與芯級(jí)聯(lián)合支撐，如德爾塔 Ⅳ重型。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架及傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的工作之一，需要結(jié)構(gòu)和動(dòng)力進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，同時(shí)還需要解決發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺間隙問題。國外主流火箭采用多機(jī)并聯(lián)方案時(shí)，大部分是以單機(jī)為模塊，采用發(fā)動(dòng)機(jī)推力結(jié)構(gòu)與箭體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，通過殼段或貯箱箱底傳力，提高結(jié)構(gòu)效率。有的單機(jī)模塊無機(jī)架，如F-1、J-2、SSME等發(fā)動(dòng)機(jī)；有的單機(jī)模塊采用小機(jī)架，如RS-68、Merlin、LE-7A等發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2 殼段

1.2.1 材料應(yīng)用

國外早期運(yùn)載火箭的艙段結(jié)構(gòu)采用了2024、7075(相當(dāng)于國內(nèi)牌號(hào)2A12、7A09)材料，屬于第一代和第二代鋁合金。當(dāng)前，國外主流火箭艙段結(jié)構(gòu)普遍采用了第三代、第四代高強(qiáng)鋁合金(7050、7055、7085)以及高模量鋁鋰合金(2A97)等金屬材料，如圖1所示。均勻承載的殼段或整流罩等艙段普遍采用了T800碳纖維為代表的高強(qiáng)耐高溫復(fù)合材料。

圖1 變形鋁合金發(fā)展

1.2.2 結(jié)構(gòu)形式

運(yùn)載火箭殼段一般包括箱間段、級(jí)間段、后過渡段、尾段、載荷支架和整流罩等。按承載形式分為均勻承載艙段，如箱間段、級(jí)間段、載荷支架、整流罩等；集中力承載艙段，如尾段、捆綁集中力傳遞的箱間段或后過渡段等。

艙段結(jié)構(gòu)材料性能指標(biāo)如表1所示。針對(duì)級(jí)間段、箱間段、整流罩等均勻承載艙段，國外普遍采用了碳纖維蒙皮+蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)形式(見圖2)，如宇宙神5級(jí)間段、戰(zhàn)神5級(jí)間段、法爾肯9級(jí)間段等艙段，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化，提高制造效率。

表1 艙段結(jié)構(gòu)材料性能指標(biāo)

圖2 碳纖維蒙皮+鋁蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)

針對(duì)箱間段、后過渡段等傳遞捆綁集中力承載艙段，國外火箭普遍設(shè)計(jì)思路是：將捆綁集中力解耦設(shè)計(jì)，采用基于大厚度壁板和大梁組合的集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，主要用于傳遞軸向力；采用沿箭體徑向的大梁結(jié)構(gòu)，主要用于傳遞徑向力。如航天飛機(jī)外掛貯箱的箱間段、SLS的一級(jí)箱間段。

針對(duì)載荷支架等一些特殊部段結(jié)構(gòu)，為提升結(jié)構(gòu)效率，國外火箭采用了復(fù)合材料無蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如質(zhì)子號(hào)-M火箭的載荷支架，如圖3所示。德爾塔Ⅳ火箭二級(jí)箱間段則采用了復(fù)合材料X型桿系結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3 質(zhì)子號(hào)-M載荷支架產(chǎn)品

圖4 德爾塔Ⅳ二級(jí)箱間段

1.2.3 制造工藝

艙段用壁板成形方式有鉚接、焊接、擠壓和整體機(jī)加等4種方式。焊接成形壁板在飛機(jī)、汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛；攪拌摩擦焊形成的壁板國內(nèi)外工藝應(yīng)用成熟，不需要鉚釘規(guī)避設(shè)計(jì)，技術(shù)通用性高。高溫?cái)D壓成形壁板在高鐵、航空領(lǐng)域應(yīng)用較多，但是擠壓壁板需要預(yù)先投入模具，可選規(guī)格較少，可設(shè)計(jì)性不強(qiáng)。此外，目前的擠壓工藝，還不適用于延展性較低的7系高強(qiáng)鋁合金。

傳統(tǒng)殼段采用了蒙皮+桁條+環(huán)框等零件的鉚接式裝配，如土星V。為提高生產(chǎn)效率，SLS的所有殼段均采用整體網(wǎng)格加筋壁板結(jié)構(gòu)，視不同情況分別采用先滾彎后機(jī)加和先機(jī)加后滾彎的成形方案，然后采用攪拌摩擦焊組裝成殼段，如圖5所示。阿里安6的整體壁板只有縱向筋條，環(huán)向加強(qiáng)采用傳統(tǒng)的中間框，兩者通過機(jī)器人自動(dòng)鉚接組裝。

圖5 SLS箱間段

在復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的制造方面，國外廣泛使用了3D打印技術(shù)，可提高結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期，減少零件數(shù)量及連接環(huán)節(jié)，大幅提高結(jié)構(gòu)可靠性。

1.3 貯箱

1.3.1 材料應(yīng)用

國外運(yùn)載火箭貯箱材料先后選用了2A14、2219、2195、2198等鋁合金，性能指標(biāo)綜合對(duì)比情況如表2所示。為提升運(yùn)載能力，航天飛機(jī)外貯箱在后期將2219鋁合金更換為2195鋁鋰合金。SLS、阿里安5等型號(hào)的貯箱均有計(jì)劃使用2195鋁鋰合金。法爾肯9貯箱均采用比2195性能略低但成本更低、可焊性更好的2198鋁鋰合金。為降低成本，提高其可重復(fù)使用性能，SpaceX的“超重-星艦”貯箱采用了不銹鋼材料，充分利用了其低溫性能好、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，再入返回段對(duì)防熱的需求較低。

表2 貯箱結(jié)構(gòu)材料性能指標(biāo)

復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度均遠(yuǎn)高于金屬材料，具有良好的抗疲勞性能、抗振性能、較好的成德爾塔 Ⅳ型工藝性，特別適合應(yīng)用于整體成型，可減少零件和連接工序的數(shù)量。國外在復(fù)合材料貯箱方面開展了大量的研究工作，從1996年 DC-XA 飛行器液氫貯箱到2004年德爾塔Ⅳ上面級(jí)和助推器貯箱，再到2016年 Space X 公司研制12 m 復(fù)合材料貯箱，復(fù)合材料貯箱從小直徑、小容量向大直徑、大容量的方向發(fā)展，如圖6所示。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%。

圖6 國外復(fù)合材料貯箱發(fā)展歷程

1.3.2 結(jié)構(gòu)形式

運(yùn)載火箭貯箱由筒段、前底、后底、短殼等組成，一般通過焊接，將各部分組裝為整箱。箱底一般有頂蓋、瓜瓣拼焊而成，箱底與筒段之間通過連接環(huán)連接。

箱底為均勻厚度的薄壁殼體，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮其模數(shù)、結(jié)構(gòu)成形方法等因素。從國外重型火箭貯箱箱底的結(jié)構(gòu)形式來看，基本為球形底或1.33模數(shù)左右的橢球底或球冠底，特別是美國土星V、航天飛機(jī)、SLS等重型運(yùn)載火箭貯箱箱底均為1.33模數(shù)左右的橢球底，蘇聯(lián)能源號(hào)運(yùn)載火箭選用了球形底。

根據(jù)內(nèi)壓與軸壓的關(guān)系，筒段可分為內(nèi)壓設(shè)計(jì)和軸壓設(shè)計(jì)。為提高結(jié)構(gòu)效率，內(nèi)壓設(shè)計(jì)貯箱一般是降低內(nèi)壓壓力上限，軸壓設(shè)計(jì)貯箱可提高內(nèi)壓壓力下限或降低軸壓載荷。法爾肯9一級(jí)貯箱筒段采用了高筋壁板，高筋承載較大的軸壓載荷，而內(nèi)壓由薄蒙皮承擔(dān)。土星V采用了蒙皮桁條環(huán)框的結(jié)構(gòu)形式。大部分型號(hào)采用正置正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如航天飛機(jī)外貯箱、SLS等。也有部分型號(hào)采用等邊三角形結(jié)構(gòu)，如德爾塔Ⅳ、宇宙神5等。

為提高結(jié)構(gòu)的緊湊性，國外主流火箭貯箱普遍采用了共底設(shè)計(jì)，如阿里安5、法爾肯9、土星Ⅴ的二子級(jí)和三子級(jí)等；在二級(jí)及其以上的子級(jí)，由于貯箱直徑差別較大，有的采用了懸掛式貯箱，如德爾塔 Ⅳ二子級(jí)。

國外已經(jīng)掌握了大直徑共底貯箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)，而且共底隔熱設(shè)計(jì)具有良好的使用維護(hù)性。國外共底貯箱最大直徑為10 m級(jí)，當(dāng)前應(yīng)用的最大直徑為5.46 m，而且采用泡沫夾芯共底，不需抽真空，維護(hù)使用簡(jiǎn)單。共底夾層隔熱結(jié)構(gòu)有3種方案，第1種是采用蜂窩夾芯，如戰(zhàn)神I和H-Ⅰ/Ⅱ等火箭；第2種是采用填充泡沫，如阿里安V二子級(jí)采用了PEI泡沫；第3種是蜂窩夾芯+填充泡沫，如土星V的二子級(jí)和三子級(jí)。

1.3.3 制造工藝

貯箱制造包括箱底成形、筒段壁板成形及其焊接、連接環(huán)成形以及整箱焊接組裝、箱內(nèi)支架連接等主要工藝過程。

國外大型貯箱箱底采用了頂蓋+瓜瓣焊接工藝，中、小型箱底采用的整體旋壓技術(shù)，最大可實(shí)現(xiàn)5.4 m直徑的旋壓。SLS貯箱連接環(huán)采用分體攪拌摩擦焊拼焊而成；筒段則采用壁板拼焊，土星V貯箱筒段壁板采用機(jī)械銑切網(wǎng)格后滾彎或壓彎的方式成型，航天飛機(jī)外貯箱筒段壁板采用平板滾彎后再機(jī)械銑切加工網(wǎng)格的方式成型。

國外大部分火箭貯箱采用水平方式焊接，焊接方法為攪拌摩擦焊，如法爾肯9、阿里安6等；而對(duì)于大直徑貯箱則采用了垂直方式進(jìn)行攪拌摩擦焊接，如SLS、土星V等。回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊是德國GKSS中心于2002年發(fā)明的一種新的點(diǎn)焊技術(shù)，使用更為復(fù)雜的攪拌頭結(jié)構(gòu)和組件運(yùn)動(dòng)方式，可消除匙孔缺陷，具有焊接效率高、污染少、質(zhì)量高、缺陷少、焊接強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于貯箱附件點(diǎn)焊和補(bǔ)焊。

1.4 分離裝置

助推器分離裝置主要包括主捆綁機(jī)構(gòu)和捆綁連桿。主捆綁機(jī)構(gòu)主要有爆炸螺母式、鉸鏈分瓣螺母式和中心螺栓式等3種形式。阿里安3等小型火箭采用了爆炸螺母式，如圖7所示。其中，球頭、球窩構(gòu)成球運(yùn)動(dòng)副，通過分離螺母固緊，用于傳遞載荷；分離時(shí)，分離螺母在火工品的作用下沿削弱槽斷開，該機(jī)構(gòu)承受較大的附加彎矩，不適合傳遞較大的捆綁載荷。國外大型助推器普遍采用鉸鏈分瓣螺母式和中心螺栓式，能源號(hào)助推器采用了鉸鏈分瓣螺母式，如圖8所示。該機(jī)構(gòu)巧妙地將載荷傳遞與解鎖功能完全解耦設(shè)計(jì)，可承受較大載荷，同時(shí)解鎖火工品的能量較小，該機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是尺寸較大、質(zhì)量偏大，整體結(jié)構(gòu)效率不高。阿里安5、航天飛機(jī)等大型火箭采用了中心螺栓式，如圖9所示。其中，球頭球窩通過中心螺栓連接并緊固，球面?zhèn)鬟f捆綁載荷，中心螺栓用于解鎖，該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)效率較高，是主捆綁機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展方向。

級(jí)間分離、整流罩橫向分離、縱向分離等部位的分離裝置分為點(diǎn)式和線式兩種。點(diǎn)式分離裝置有爆炸螺栓、低沖擊分離裝置等；線式分離裝置有柔性導(dǎo)爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置和膨脹管分離裝置等3種，具有剛度連續(xù)、承載能力高、分離可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。國外火箭普遍采用了線性分離裝置。由于柔性導(dǎo)爆索和膨脹管削弱槽式分離裝置的缺點(diǎn)使工作過程會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，具有較大的污染和比較惡劣的沖擊環(huán)境，多用在武器型號(hào)上。膨脹管分離裝置具有低沖擊、無污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用的型號(hào)有美國的“三叉戟”導(dǎo)彈第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)分離裝置、阿金納火箭的級(jí)間分離、航天飛機(jī)救生艙分離裝置及日本H-II衛(wèi)星整流罩分離。

圖7 爆炸螺母式主捆綁機(jī)構(gòu)

圖8 分瓣螺母式主捆綁機(jī)構(gòu)

圖9 中心螺栓式主捆綁機(jī)構(gòu)

整流罩采用平拋分離方式時(shí)，其縱向分離裝置一般采用氣囊式分離裝置，既能起到連接解鎖作用，又能夠提供分離能量。該分離裝置用于美國的大力神火箭、德爾塔火箭以及土星1B火箭的天空實(shí)驗(yàn)室整流罩和阿里安系列火箭等。

為提高分離裝置的可檢測(cè)性，滿足可重復(fù)使用需求，法爾肯9火箭在級(jí)間分離面和整流罩縱向分離面采用了機(jī)械栓鎖式分離機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)解鎖，同時(shí)提供分離能量。

星箭分離裝置不僅要滿足承載和連接剛度要求，其解鎖沖擊環(huán)境也應(yīng)盡量小。阿里安5、Atlas、德爾塔、Sea Launch、質(zhì)子號(hào)等國外運(yùn)載火箭普遍選用剛性包帶機(jī)構(gòu)，接口包括937,1 194,1 666,1 624,2 800 mm等；剛性包帶最大直徑為4 m，用于ATV與阿里安 5ES的連接分離。剛性包帶采用螺旋解鎖裝置，該解鎖裝置通過將包帶預(yù)緊力產(chǎn)生的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)包帶預(yù)緊力的緩慢釋放，從而減小解鎖沖擊。爆炸螺栓式柔性包帶產(chǎn)生的沖擊環(huán)境約為4 000

g

，而該螺旋式剛性包帶產(chǎn)生的解鎖沖擊小于1 000

g

。

1.5 設(shè)計(jì)工具與自動(dòng)化裝配

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)為各系統(tǒng)在線并行協(xié)同設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，通過三維數(shù)字模裝可驗(yàn)證各系統(tǒng)之間的接口協(xié)調(diào)性，避免了實(shí)物模裝，大幅縮短結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期。以數(shù)字樣機(jī)為統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)，在國外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，國內(nèi)航空、船舶等領(lǐng)域也已經(jīng)應(yīng)用得十分成熟。最著名的案例是達(dá)索協(xié)助波音公司推出了世界上第一架無圖紙(設(shè)計(jì))飛機(jī)。當(dāng)時(shí)，用3D完成波音777的模擬樣機(jī)，零件總數(shù)為300萬件以上，其中132 500個(gè)專用零件是由分布在美洲、歐洲、亞洲和大洋洲的13個(gè)國家的545個(gè)工廠生產(chǎn)。依靠三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，波音777的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤修改量較過去同類機(jī)型減少了90%，設(shè)計(jì)更改和返工率減少50%以上，不合格品減少50%～80%。

自動(dòng)化裝配生產(chǎn)既可縮短制造周期，又可提升制造質(zhì)量，是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)模式。為應(yīng)對(duì)高密度發(fā)射任務(wù)需求，基于脈動(dòng)式流水線作業(yè)的生產(chǎn)模式，已成為國內(nèi)外航天器裝配制造的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高生產(chǎn)效率，與阿里安5采用垂直總裝方案不同，阿里安6火箭使用水平廠房和流水線作業(yè)模式，采用飛機(jī)“脈動(dòng)式”總裝生產(chǎn)線模式，大幅提高總裝效率，降低制造成本。SLS為加快研制周期，將原本采用的垂直總裝方案改為水平總裝方案。

2 我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展需求分析

2.1 運(yùn)載效率提升需求

我國中型火箭運(yùn)載能力與國際水平基本相當(dāng)，但運(yùn)載效率距離世界先進(jìn)水平差距明顯。法爾肯9運(yùn)載效率高達(dá)3.53%，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量約占箭體干重的50%，因此，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化對(duì)運(yùn)載效率提升具有顯著作用。我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系數(shù)與國外主流火箭對(duì)比情況如表3所示，可見對(duì)于同種推進(jìn)劑、同等規(guī)模直徑的模塊，我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系數(shù)與國外差距較為明顯。

表3 結(jié)構(gòu)系數(shù)對(duì)比情況

2.2 型號(hào)研制需求

新一代載人火箭和重型火箭一級(jí)都采用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)交付，在大直徑箭體內(nèi)布局多臺(tái)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)的桿系傳力方案不再適用。根據(jù)國外火箭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞結(jié)構(gòu)與箭體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率提升，同時(shí)可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的通用化、模塊化，但是需要解決傳力路線優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全間隙、管路布局、熱防護(hù)等問題。新一代載人火箭和重型火箭的捆綁載荷均達(dá)到了1 000 t級(jí)以上，我國掌握了400 t級(jí)捆綁裝置設(shè)計(jì)及集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，遠(yuǎn)不能滿足需求，需要突破集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、大尺寸捆綁接頭生產(chǎn)制造、大直徑艙段裝配精度控制等關(guān)鍵技術(shù)。

重型火箭大直徑貯箱箱底厚度、壁板厚度和筋條高度將大幅增加，箱底成形、壁板成形等制造問題更加凸顯。大直徑筒段徑向剛度較小，水平狀態(tài)下變形較大，筒段之間的錯(cuò)位可能導(dǎo)致無法采用傳統(tǒng)的水平焊接方案。貯箱連接環(huán)整體制造技術(shù)可提高尺寸精度和產(chǎn)品性能，是超大直徑貯箱制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)需求

為搶占國際航天發(fā)射市場(chǎng)，提高競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)展低成本、高性能火箭迫在眉睫。我國艙段普遍使用的蒙皮桁條結(jié)構(gòu)采用鉚接式裝配，裝配效率較低，噪音環(huán)境惡劣，生產(chǎn)成本較高。當(dāng)前還沒有掌握整體機(jī)加壁板、薄壁板攪拌摩擦焊及其變形控制等工藝方法。我國運(yùn)載火箭火箭總裝生產(chǎn)采用了單件“樁位”式生產(chǎn)模式，總裝一發(fā)中型火箭需2個(gè)月左右時(shí)間，生產(chǎn)效率較低，無法滿足高密度發(fā)射需求。

3 我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展方向

3.1 結(jié)構(gòu)總體技術(shù)

3.1.1 載荷、布局及結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

結(jié)構(gòu)總體布局既影響載荷分配、氣動(dòng)力熱特性，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又取決于載荷大小。為提高結(jié)構(gòu)效率，應(yīng)充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)總體專業(yè)優(yōu)勢(shì)，組織開展載荷、布局及結(jié)構(gòu)等三者之間的快速迭代設(shè)計(jì)，將發(fā)射支撐、助推器捆綁、發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接、部段對(duì)接、星箭對(duì)接、分離火箭安裝、吊點(diǎn)設(shè)置、運(yùn)輸支撐、艙段開口、貯箱開口、艙外凸起物等布局設(shè)計(jì)納入一體化設(shè)計(jì)范疇，可降低載荷、減小氣動(dòng)熱環(huán)境，達(dá)到結(jié)構(gòu)布局最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)功能集成化、質(zhì)量最小化。例如通過建立基于載荷的結(jié)構(gòu)快速估重平臺(tái)，可解決貯箱增壓壓力與外載荷的匹配設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)貯箱質(zhì)量最小化。

后續(xù)應(yīng)通過搭建面向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，重點(diǎn)解決超大規(guī)模結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算技術(shù)，著力構(gòu)建載荷、布局及結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)流程。

3.1.2 面向先進(jìn)測(cè)發(fā)模式的箭地接口設(shè)計(jì)技術(shù)

為適應(yīng)運(yùn)載火箭無人值守測(cè)試發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用，箭地電、氣和液等接口由傳統(tǒng)的分布式布局逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺讲季郑瑴p少接口數(shù)量，一般將其布置在箭體尾部，實(shí)現(xiàn)0 s脫落；箭地接口布局時(shí)，應(yīng)盡量對(duì)稱，減小干擾力，同時(shí)開展與發(fā)射臺(tái)布局、支撐臂方案等地面發(fā)射支持系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，確?；鸺钠痫w安全性。結(jié)構(gòu)總裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)聯(lián)合電氣、分離等系統(tǒng)，將儀器、火工品等設(shè)備的安裝操作前置。結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免采用塑料布等手動(dòng)操作的臨時(shí)措施，重點(diǎn)攻克結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防水一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。為滿足自動(dòng)加注、連接器二次自動(dòng)對(duì)接等需求，箭地接口應(yīng)采用智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，重點(diǎn)開展口蓋自動(dòng)關(guān)閉、閥門自動(dòng)密封等可靠性提升技術(shù)研究。

3.1.3 大型助推器捆綁傳力優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

捆綁傳力方式直接影響全箭載荷分配，首先根據(jù)全箭載荷，開展結(jié)構(gòu)質(zhì)量估算和運(yùn)載能力影響分析，定量評(píng)估捆綁傳力方案；同時(shí)綜合考慮姿控穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)傳力、發(fā)射支撐傳力、捆綁裝置設(shè)計(jì)、箭體結(jié)構(gòu)集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)射臺(tái)設(shè)計(jì)、火箭型譜規(guī)劃等因素，最終確定捆綁傳力方案。前傳力方案一般采用助推器發(fā)射支撐方式；后傳力方案既可采用助推器支撐，也可采用芯級(jí)支撐。

該技術(shù)的關(guān)鍵是建立基于載荷的快速估重平臺(tái)，提高結(jié)構(gòu)估重效率；掌握捆綁傳力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)新捆綁機(jī)構(gòu)形式，形成捆綁連接機(jī)構(gòu)型譜產(chǎn)品。

3.1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)推力結(jié)構(gòu)與箭體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)模塊化交付是未來發(fā)展趨勢(shì)，為提高結(jié)構(gòu)效率，應(yīng)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與箭體結(jié)構(gòu)開展聯(lián)合優(yōu)化分析，統(tǒng)籌考慮捆綁和發(fā)射支撐等傳力路線，確定最優(yōu)傳力路線。除了使用艙段傳力，還可使用貯箱箱底傳力，箱底在內(nèi)壓作用下受拉應(yīng)力作用，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力時(shí)受壓應(yīng)力作用，兩者相互抵消，可有效發(fā)揮箱底傳力優(yōu)勢(shì)；若傳遞的推力較大，則優(yōu)先采用錐形底。

該技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)研究大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元建模技術(shù)，基于有限元計(jì)算的結(jié)構(gòu)傳力路線優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，攻克考慮發(fā)動(dòng)機(jī)傳力的箱底設(shè)計(jì)或殼段設(shè)計(jì)等傳力路線綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.1.5 新一代緊固連接技術(shù)

以30CrMnSiA等碳鋼為主的緊固件材料體系存在耐腐蝕性能差、具有氫脆隱患等風(fēng)險(xiǎn)，隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，我國緊固件材料體系亟需更新?lián)Q代。對(duì)于小載荷連接，應(yīng)大力推進(jìn)高性能鋁合金緊固件應(yīng)用研究，例如使用7055鋁合金替代鋼45。對(duì)于低溫介質(zhì)中使用的1Cr18Ni9Ti螺栓，鑒于該材料晶間腐蝕傾向大，已在新版國標(biāo)中刪除，應(yīng)積極研究其替代材料，重點(diǎn)推進(jìn)316系列不銹鋼材料的應(yīng)用。對(duì)于大載荷連接部位，推廣使用沉淀硬化不銹鋼，采用PH13-8Mo替代30CrMnSiNi2A，采用17-4PH替代30CrMnSiA。對(duì)于超低溫、大載荷連接部位，重點(diǎn)推廣使用GH4169。對(duì)于復(fù)合材料連接或質(zhì)量要求較為苛刻的上面級(jí)，應(yīng)積極采用TC4等鈦合金材料。

相關(guān)新材料的制備工藝已經(jīng)較為成熟，后續(xù)應(yīng)在制造、檢測(cè)、裝配等方面，重點(diǎn)開展新材料緊固件的工程化應(yīng)用研究，建立新一代緊固件標(biāo)準(zhǔn)體系，為型號(hào)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.2 殼段

3.2.1 高性能殼段材料應(yīng)用技術(shù)

艙段承力結(jié)構(gòu)金屬材料應(yīng)采用比強(qiáng)度高、比模量高的鋁合金，實(shí)現(xiàn)鋁合金材料的升級(jí)換代。桁條、梁等主要承擔(dān)軸壓載荷，應(yīng)采用比模量、比強(qiáng)度較高的材料，優(yōu)先選用鋁基復(fù)合材料(TiB2/7050)，其次選用7055、2A97。經(jīng)過試制和工藝試驗(yàn)，TiB2/7050制成的桁條工藝性與7A09相當(dāng)，且成本可控制在鋁鋰合金的1/3。端框、大梁等承受軸拉載荷的零件，應(yīng)采用比強(qiáng)度較高、拉彎成形工藝較好的材料，首選7A99，其次7055。蒙皮優(yōu)先選用密度小、薄板制造工藝性好的2A97鋁鋰合金板材，其次是7475鋁合金板材。整體鍛環(huán)、大型鍛件應(yīng)優(yōu)先選用淬透性好的7085鋁合金，小尺寸傳力接頭可選用7050預(yù)拉伸板。非金屬承力結(jié)構(gòu)逐步采用T800碳纖維+耐高溫樹脂，大幅提高力學(xué)性能。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)解決新型材料性能數(shù)據(jù)庫建設(shè)問題，攻克基于鋁基復(fù)合材料型材的裝配工藝技術(shù)和低成本高性能型材制備技術(shù)。

為解決大型火箭底部MW級(jí)別長(zhǎng)時(shí)熱防護(hù)問題，應(yīng)積極發(fā)展新一代防熱結(jié)構(gòu)。熱防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備低燒蝕量、密度低、熱導(dǎo)率低、長(zhǎng)時(shí)間服役等多方面特點(diǎn)。國外普遍采用PICA-X酚醛浸漬碳燒蝕材料，性能明顯優(yōu)于我國現(xiàn)有防熱結(jié)構(gòu)。通過前期研究，以PICA為基礎(chǔ)，我國自行研制了SiOC陶瓷改性連續(xù)碳纖維織物增強(qiáng)酚醛氣凝膠復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱CF-MPR)，完成了材料配方、制備工藝、力學(xué)性能測(cè)試、熱學(xué)性能測(cè)試等工作，并生產(chǎn)了原理樣機(jī)。后續(xù)重點(diǎn)面向工程化應(yīng)用，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，攻克防熱結(jié)構(gòu)與主體殼段結(jié)構(gòu)的裝配技術(shù)。

3.2.2 基于創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式的殼段設(shè)計(jì)技術(shù)

對(duì)于箱間段、后過渡段等傳遞捆綁集中力的艙段結(jié)構(gòu)，由當(dāng)前的蒙皮桁條鉚接式結(jié)構(gòu)逐步過渡到整體機(jī)銑網(wǎng)格壁板結(jié)構(gòu)。集中力承載艙段設(shè)計(jì)時(shí)，為提高捆綁接頭和集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的承載效率，需突破拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，優(yōu)化捆綁接頭形狀和集中力擴(kuò)散路徑，同時(shí)采用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化制造。

對(duì)于級(jí)間段、整流罩等均勻承載艙段，應(yīng)推動(dòng)采用碳面板+鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式具有承載效率高、減振降噪性能好等特點(diǎn)。從總體設(shè)計(jì)層面，應(yīng)優(yōu)化全箭儀器設(shè)備布局，減少復(fù)合材料艙段的開口數(shù)量和儀器安裝數(shù)量，發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)重點(diǎn)開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效模式研究，制定失效準(zhǔn)則，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。同時(shí)，注重復(fù)合材料艙段開口補(bǔ)強(qiáng)、支架連接和部段連接等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，避免局部連接導(dǎo)致質(zhì)量增加過多。

對(duì)于懸掛貯箱的箱間段、載荷支架等結(jié)構(gòu)，應(yīng)積極推動(dòng)采用無蒙皮結(jié)構(gòu)。懸掛貯箱箱間段采用碳纖維復(fù)合材料X型桿系結(jié)構(gòu)。載荷支架采用碳纖維無蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)鋁合金產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)減重40%。后續(xù)重點(diǎn)突破X型桿系和無蒙皮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開展復(fù)合材料自動(dòng)鋪層、自動(dòng)生產(chǎn)裝備等整體制造工藝技術(shù)研究。

3.2.3 先進(jìn)殼段制造工藝技術(shù)

蒙皮桁條式結(jié)構(gòu)應(yīng)全部采用自動(dòng)鉚接系統(tǒng)，重點(diǎn)突破通用式自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人等裝備設(shè)計(jì)技術(shù)，提高鉚接裝配質(zhì)量和效率，降低生產(chǎn)成本。

整體機(jī)銑壁板具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，還可以與貯箱筒段共用生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)柔性制造。整體機(jī)銑壁板之間采用攪拌摩擦焊技術(shù)組裝成殼段。整體機(jī)銑壁板應(yīng)逐步攻克壁板成形、焊接變形控制等關(guān)鍵技術(shù)，確保艙段的尺寸精度和形位精度。攪拌摩擦焊是未來金屬艙段成形和組裝的主流工藝方法，可與貯箱制造共用生產(chǎn)裝備，實(shí)現(xiàn)柔性制造，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

針對(duì)采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的大型整流罩，應(yīng)重點(diǎn)突破整流罩柱段和錐段的一體化成形技術(shù)，減少連接環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

針對(duì)捆綁接頭、大梁接頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，為減少零組件數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，采用3D打印技術(shù)是未來發(fā)展趨勢(shì)，后續(xù)重點(diǎn)攻克基于3D打印的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.3 貯箱

3.3.1 高性能貯箱材料應(yīng)用技術(shù)

考慮使用成本，基礎(chǔ)級(jí)和助推器貯箱應(yīng)優(yōu)先選用2219鋁合金。為提升火箭性能，二級(jí)及末級(jí)貯箱應(yīng)優(yōu)先選用比強(qiáng)度、比剛度和焊接性均較好的2195鋁鋰合金，重點(diǎn)解決鋁鋰合金延伸率偏低的問題。

復(fù)合材料貯箱的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，由于貯箱筒段環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍，使用復(fù)合材料貯箱可采用環(huán)向纏繞方式；此外，加工制造效率高，復(fù)合材料貯箱可實(shí)現(xiàn)一體式自動(dòng)化加工。因此，復(fù)合材料貯箱具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)。我國啟動(dòng)研究的時(shí)間相對(duì)較晚，后續(xù)應(yīng)加快研究復(fù)合材料貯箱，在基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法、局部連接設(shè)計(jì)、失效模式、液氧相容性、液氫滲透性、制造工藝、健康監(jiān)測(cè)等方面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

不銹鋼材料具有優(yōu)異的高低溫性能，同時(shí)具有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)；與普通鋼相比，其導(dǎo)熱系數(shù)較低，可減小防熱結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，針對(duì)可重復(fù)使用火箭，可考慮使用不銹鋼貯箱；但鑒于我國缺少不銹鋼貯箱研制經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)要重點(diǎn)突破高精度不銹鋼板原材料成形技術(shù)、不銹鋼壁板成形及整箱焊接制造技術(shù)。

為提高深空探測(cè)能力，針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間在軌的低溫貯箱，為控制推進(jìn)劑蒸發(fā)量，后續(xù)重點(diǎn)發(fā)展多層隔熱技術(shù)，突破多層隔熱材料制備、性能檢測(cè)、多層隔熱材料與貯箱連接工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

3.3.2 高效率貯箱結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化技術(shù)

箱底形狀一般優(yōu)先選用橢球底，若采用箱底傳遞外力，則考慮采用錐形底。在超大直徑貯箱結(jié)構(gòu)研制設(shè)計(jì)過程中，為避免箱底環(huán)向應(yīng)力的存在，應(yīng)對(duì)橢球底模數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)突破內(nèi)壓、外載荷、低溫等多種載荷工況下的箱底結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，發(fā)展可傳遞外載荷的多功能箱底結(jié)構(gòu)。

針對(duì)大型或重型火箭，為滿足超大軸壓載荷的需求，提升結(jié)構(gòu)效率，貯箱筒段應(yīng)采用高筋壁板，高筋承載較大的軸壓載荷，而內(nèi)壓由薄蒙皮承擔(dān)。對(duì)于二級(jí)及末級(jí)貯箱，一般承受軸壓載荷較小，為提升結(jié)構(gòu)效率，貯箱筒段應(yīng)優(yōu)先選用等邊三角形網(wǎng)格。后續(xù)重點(diǎn)突破基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的高筋壁板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，提高筒段的承載效率。

為提高運(yùn)載效率，在二級(jí)及以上的箭體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)優(yōu)先使用共底貯箱，重點(diǎn)發(fā)展直徑3.35 m和5 m共底貯箱，突破泡沫夾層隔熱、熱力耦合設(shè)計(jì)、密封連接、共底成形及黏接精度等關(guān)鍵技術(shù)，取消抽真空和氣體成份監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)。從受力角度來說，共底的型面以球形或接近球形最好；而在工藝性方面，箱底越接近球形則過渡環(huán)夾角位置的焊接可達(dá)性越差；在工藝實(shí)施可達(dá)的條件下，共底底形優(yōu)先選用球形，其次選用橢球形。

3.3.3 低成本、高精度貯箱制造工藝技術(shù)

針對(duì)中型、小型等商業(yè)運(yùn)載火箭，箱底采用整體旋壓技術(shù)，可大幅減少箱底的零件數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。目前已經(jīng)完成5A06鋁合金3 350 mm直徑整底帶叉形環(huán)的旋壓生產(chǎn)。未來應(yīng)突破2219鋁合金3 350 mm直徑箱底的整體旋壓制造技術(shù)，重點(diǎn)研究旋壓成形、高精度機(jī)加等工藝措施，提高旋壓制造的尺寸精度，為大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對(duì)于5 m和9.5 m等大直徑貯箱，箱底采用頂蓋、瓜瓣拼焊方式。針對(duì)2195鋁鋰合金強(qiáng)度、比模量較高，采用傳統(tǒng)拉深成形方式存在設(shè)備能力不足、易開裂等難題；頂蓋和瓜瓣宜采用蠕變成形技術(shù)，該技術(shù)成形精度高，可先平板機(jī)加網(wǎng)格后再成形，避免了成形后再機(jī)銑帶來的產(chǎn)品變形問題。未來應(yīng)重點(diǎn)研究變厚度瓜瓣一次蠕變成形技術(shù)和大尺寸頂蓋一次蠕變成形技術(shù)，成形后不需機(jī)加即可交付裝配使用。

2219鋁合金貯箱連接環(huán)已經(jīng)完成9.5 m級(jí)整體鍛環(huán)研制，因此，各種直徑的連接環(huán)全面采用整體鍛環(huán)是必然趨勢(shì)，可提高連接環(huán)的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)效率。因2195鋁鋰合金受鑄錠的熔鑄能力和整體環(huán)軋工藝技術(shù)限制，近期2195鋁鋰合金連接環(huán)可采用分段拼焊方式，拼焊工藝采用攪拌摩擦焊。未來應(yīng)重點(diǎn)解決2195鋁鋰合金大型真空熔鑄工藝裝備的建設(shè)問題，逐步突破2195鋁鋰合金連接環(huán)整體制造技術(shù)。

為滿足5.0 m級(jí)以上火箭的研制需求，應(yīng)重點(diǎn)突破高筋大厚度壁板成形技術(shù)。綜合成本及制造精度等情況，貯箱筒段制造工藝方案優(yōu)選“銑+彎+焊”，其次選用“彎+銑+焊”方案。針對(duì)“銑+彎+焊”方案，重點(diǎn)攻克壁板滾彎成形精度問題，一方面針對(duì)網(wǎng)格壁板軋彎的可行性進(jìn)行試驗(yàn)，另一方面針對(duì)校形工藝進(jìn)行深入研究。

攪拌摩擦焊具有焊接系數(shù)高、焊接質(zhì)量高、自動(dòng)化程度高、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，包括縱縫和環(huán)縫在內(nèi)的全箱焊縫采用攪拌摩擦焊是未來發(fā)展方向。在補(bǔ)焊和點(diǎn)焊部位，應(yīng)重點(diǎn)突破回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)，將全箱焊接強(qiáng)度系數(shù)由0.5提升至0.6以上。

相比臥式裝配，立式裝配更有利于保證裝配精度，提高裝配質(zhì)量和效率；因此，立式裝配適用于5 m直徑以上的、徑向剛度相對(duì)較小的貯箱；對(duì)于5 m直徑以下的貯箱，為提高繼承性和適應(yīng)脈動(dòng)式生產(chǎn)模式，仍采用臥式裝配。針對(duì)超大直徑貯箱裝配制造，應(yīng)重點(diǎn)突破貯箱立式焊接裝備設(shè)計(jì)、焊接流程設(shè)計(jì)、焊接精度控制、焊縫質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

復(fù)合材料貯箱采用整體成型，要求模具可組裝、拆卸，因此，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)解決拆卸與組裝技術(shù)、整體剛度控制等問題；針對(duì)復(fù)合材料貯箱成形，重點(diǎn)突破自動(dòng)鋪放成型和固化等工藝技術(shù)。

3.4 分離裝置與機(jī)構(gòu)

3.4.1 大承載線性分離裝置設(shè)計(jì)技術(shù)

為提高分離可靠性，避免產(chǎn)生污染物，大直徑級(jí)間分離裝置應(yīng)優(yōu)先選用膨脹管+凹槽板結(jié)構(gòu)形式。隨著火箭規(guī)模的增大，分離裝置的載荷也在增大，如果材料不變，需要增加削弱槽厚度，則可能帶來解鎖沖擊較大等影響。因此，提高分離裝置承載能力較好的途徑是采用高性能鋁合金材料，使用7系鋁合金替代2系鋁合金，材料性能由400 MPa級(jí)別逐漸向600 MPa級(jí)別過渡。應(yīng)重點(diǎn)攻克高強(qiáng)度材料切割設(shè)計(jì)技術(shù)，確定裝藥類型、裝藥密度等火工品設(shè)計(jì)參數(shù)；同時(shí)突破高強(qiáng)度鋁合金分離環(huán)成形及機(jī)械加工等高精度制造技術(shù)。

對(duì)于旋拋整流罩縱向分離裝置，未來發(fā)展方向是采用新材料或新結(jié)構(gòu)形式，提高其承載能力，取消現(xiàn)有的錐柱過渡處的爆炸螺栓，減少分離火工品數(shù)量。

3.4.2 剛性包帶設(shè)計(jì)技術(shù)

我國的星箭分離裝置普遍采用的是柔性包帶+V型卡塊的結(jié)構(gòu)形式，最大直徑為2 800 mm；解鎖裝置采用爆炸螺栓，沖擊量級(jí)較大。針對(duì)更大直徑或更大載荷的星箭分離裝置，若采用柔性包帶，則V型卡塊數(shù)量較多，預(yù)緊力加載時(shí)，各個(gè)V型卡塊的受力不均勻性更大，給預(yù)緊力設(shè)計(jì)、裝配控制等帶來諸多困難；同時(shí)，柔性包帶的承載能力也較小，無法滿足需求。國外火箭普遍采用的剛性包帶具有解鎖沖擊小、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)研制需求情況，未來應(yīng)將剛性包帶作為重點(diǎn)技術(shù)方向，實(shí)現(xiàn)我國星箭分離裝置的更新?lián)Q代。

該技術(shù)需開展充分的工藝試驗(yàn)，重點(diǎn)解決剛性包帶整體制造、預(yù)緊力加載、預(yù)緊力控制等工程應(yīng)用難題。

3.4.3 氣囊式分離裝置設(shè)計(jì)制造技術(shù)

我國運(yùn)載火箭整流罩為旋拋分離方式，普遍采用了膨脹管+凹口螺栓作為縱向分離裝置。從國際發(fā)展趨勢(shì)看，平拋分離方式具有分離包絡(luò)大、可適應(yīng)的過載大、分離機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于大型柔性整流罩分離。對(duì)于平拋分離方式，氣囊式分離裝置既是連接解鎖裝置，具有承載和解鎖功能，又能提供分離能源，提供分離作用力。相對(duì)于分離彈簧，氣囊式分離裝置對(duì)整流罩的作用力是分布力，有利于蜂窩夾層式整流罩的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提高結(jié)構(gòu)效率。由此可見，為滿足大型整流罩平拋分離需求，氣囊式分離裝置是一個(gè)重要發(fā)展方向。

該技術(shù)需重點(diǎn)攻克耐高溫耐高壓大尺寸氣囊制備技術(shù)和衰減管優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.4.4 助推器主捆綁裝置設(shè)計(jì)技術(shù)

理論分析和研制經(jīng)驗(yàn)表明，爆炸螺母式主捆綁機(jī)構(gòu)適用于中小型捆綁式火箭；對(duì)于1000 t級(jí)的捆綁載荷，應(yīng)采用鉸鏈分瓣螺母式或中心螺栓式主捆綁機(jī)構(gòu)；相對(duì)于鉸鏈分瓣螺母式，中心螺栓式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力效率較高，應(yīng)優(yōu)先選用。針對(duì)中心螺栓式主捆綁機(jī)構(gòu)，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)攻克基于雙分離面的冗余解鎖設(shè)計(jì)技術(shù)。

為適應(yīng)沿海發(fā)射場(chǎng)惡劣的鹽霧環(huán)境條件，提高零件的防腐蝕能力，主捆綁機(jī)構(gòu)不宜選用30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)選用超高強(qiáng)沉淀硬化不銹鋼P(yáng)H13-8Mo，該材料在國外應(yīng)用廣泛，具有優(yōu)越的強(qiáng)度特性、很好的韌性和良好的抗應(yīng)力腐蝕特性。后續(xù)需重點(diǎn)突破基于沉淀硬化不銹鋼P(yáng)H13-8Mo材料的大尺寸結(jié)構(gòu)熱處理工藝技術(shù)，掌握熱處理工藝參數(shù)。

此外，大型助推器捆綁裝置在飛行過程中球頭球窩摩擦面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在大噸位載荷作用下，將產(chǎn)生大量熱流，可能造成結(jié)構(gòu)溫度過高而發(fā)生失效。因此，需開展主捆綁裝置的摩擦生熱分析研究，選用合適的潤(rùn)滑方案。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)開展高承載自潤(rùn)滑材料制備、黏接工藝及力學(xué)性能評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)研究。

3.5 設(shè)計(jì)工具與自動(dòng)化裝配

3.5.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

新一代運(yùn)載火箭研制過程中，采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，大幅減少了結(jié)構(gòu)干涉等不協(xié)調(diào)問題；但是，還未實(shí)現(xiàn)真正的協(xié)同設(shè)計(jì)，基本沿用了傳統(tǒng)的串行工作模式。當(dāng)前結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了Creo+Windchill的模式。其中，Creo作為三維設(shè)計(jì)工具，Windchill主要功能是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。當(dāng)前研制平臺(tái)存在的問題在總體骨架傳遞、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)間模裝、生產(chǎn)制造、信息化管理等環(huán)節(jié)，仍然需進(jìn)行大量的手工轉(zhuǎn)換；不支持協(xié)同工作指令的傳遞。

在我國工業(yè)基礎(chǔ)發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀下，運(yùn)載火箭產(chǎn)品配套廠家較為集中，具備實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。根據(jù)國內(nèi)外研制經(jīng)驗(yàn)，未來采用CATIA作為結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)工具，并配套建設(shè)相應(yīng)的信息化支撐條件，打造以數(shù)字樣機(jī)為統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)，才能真正實(shí)現(xiàn)面向總體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證和發(fā)射使用等全流程的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)，發(fā)揮三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

該技術(shù)需要重點(diǎn)突破基于CATIA軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建技術(shù)，攻克覆蓋設(shè)計(jì)、制造、使用等產(chǎn)品全壽命周期的數(shù)據(jù)模型傳遞難題。

3.5.2 “脈動(dòng)式”總裝生產(chǎn)技術(shù)

隨著我國火箭高密度發(fā)射帶來的產(chǎn)品配套劇增，研制任務(wù)增多，我國的火箭制造模式正在向多品種、小批量轉(zhuǎn)型?；诋a(chǎn)品固定不動(dòng)的“站樁”式總裝模式，存在生產(chǎn)效率低、不利于質(zhì)量控制等缺點(diǎn)，參考飛機(jī)裝配和阿里安6的生產(chǎn)模式，基于精益思想的“脈動(dòng)式”裝配是未來發(fā)展趨勢(shì)。“脈動(dòng)式”裝配線使用模塊式方式設(shè)計(jì)總裝配線，通過站位劃分使總裝過程按設(shè)定的節(jié)拍進(jìn)行站位式裝配作業(yè)，具有工位專業(yè)化程度高、裝配質(zhì)量一致性好、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。為滿足高密度發(fā)射需求，我國中型運(yùn)載火箭應(yīng)逐步推動(dòng)實(shí)施“脈動(dòng)式”總裝生產(chǎn)模式，重點(diǎn)突破站位劃分、物流配送、生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)置等關(guān)鍵技術(shù)。

3.6 小結(jié)

通過調(diào)研分析，結(jié)合我國國情和型號(hào)研制需求，并考慮輕質(zhì)化、經(jīng)濟(jì)性和工藝性等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)，我國結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展可分為以下兩種情況予以實(shí)施。一是針對(duì)5 m以下直徑的中、小型運(yùn)載火箭，構(gòu)成我國未來商業(yè)航天的主力軍，面對(duì)高密度發(fā)射的需求，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)解決制造效率和制造成本問題；二是針對(duì)5 m直徑及其以上大型、重型運(yùn)載火箭，肩負(fù)著我國深空探測(cè)、載人登月和航天強(qiáng)國等重大歷史任務(wù)，應(yīng)重點(diǎn)解決制造可行性和技術(shù)先進(jìn)性的問題。本文梳理了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展方向，提出了需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)，具體發(fā)展實(shí)施路線如圖10～13所示。

圖10 結(jié)構(gòu)總體技術(shù)發(fā)展路線

圖11 殼段發(fā)展路線

圖12 貯箱發(fā)展路線

圖13 分離裝置與機(jī)構(gòu)發(fā)展路線

4 結(jié)論

為有效支撐航天強(qiáng)國建設(shè)，提高結(jié)構(gòu)效率，滿足大型、重型火箭的研制需求，我國應(yīng)加快結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造平臺(tái)建設(shè)，在新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝等方面，全面推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，重點(diǎn)發(fā)展以鋁基復(fù)合材料應(yīng)用、大承載蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、整體機(jī)銑壁板成形等為代表的先進(jìn)殼段設(shè)計(jì)制造技術(shù)，突破以2195鋁鋰合金應(yīng)用、大直徑共底貯箱等為代表的先進(jìn)貯箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)，攻克以剛性包帶為代表的分離裝置設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

為滿足高密度發(fā)射需求，提高生產(chǎn)效率，我國航天應(yīng)實(shí)現(xiàn)制造模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，從單件生產(chǎn)逐步向批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變、從分體組裝逐漸向整體制造轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)突破大直徑箱底2219鋁合金整體旋壓技術(shù)和“脈動(dòng)式”總裝生產(chǎn)技術(shù)。