中國下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)分析

王國輝, 曾杜娟, 劉觀日, 吳會(huì)強(qiáng)

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

結(jié)構(gòu)為運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料貯存與推力傳遞功能，支撐全箭質(zhì)量，并為有效載荷、控制、遙測(cè)等系統(tǒng)及單機(jī)設(shè)備提供安裝和保護(hù)。典型的運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)包含燃燒劑貯箱、氧化劑貯箱、有效載荷整流罩、儀器艙、級(jí)間段、箱間段、尾段等部段。從我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭的干重分解來看，箭體結(jié)構(gòu)在全箭干重中所占的比例達(dá)到50%或更高。從運(yùn)載火箭主要功能實(shí)現(xiàn)、質(zhì)量占比、研制經(jīng)費(fèi)與成本占比、研制周期等方面，結(jié)構(gòu)都是運(yùn)載火箭的主要和關(guān)鍵系統(tǒng)之一。

我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)過60余年的發(fā)展，建立了獨(dú)立自主的結(jié)構(gòu)研制體系與研制能力，形成了成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)證技術(shù)體系。但近年來，隨著運(yùn)載火箭的繁榮與多樣化發(fā)展，國內(nèi)外箭體結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)出快速發(fā)展、多樣化發(fā)展的狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)形式選擇、材料與工藝選用等方面都基于各型火箭的自身定位呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展方向。迫切需要對(duì)近年來國內(nèi)外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)我國箭體結(jié)構(gòu)技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行定位，并針對(duì)未來運(yùn)載火箭型號(hào)研制的需求，提出我國下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征、發(fā)展方向及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，為我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路線探索提供參考。

1 運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展歷程與技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 中國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展歷程

我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)早期以液體導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，伴隨著我國運(yùn)載火箭型號(hào)研制而逐步發(fā)展：箭體結(jié)構(gòu)直徑從CZ-1火箭2.25 m直徑發(fā)展到CZ-2C火箭3.35 m直徑至CZ-5火箭5 m直徑。結(jié)構(gòu)形式不斷豐富，從早期較單一的蒙皮桁條結(jié)構(gòu)、化銑網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)形式發(fā)展至目前蒙皮桁條、夾層結(jié)構(gòu)、機(jī)械銑網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多種形式并舉，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求綜合考慮選擇不同的結(jié)構(gòu)形式。貯箱主結(jié)構(gòu)材料體系經(jīng)歷了5A06鋁合金、2A14鋁合金、2219鋁合金的發(fā)展，材料性能不斷提升。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段與方法不斷精細(xì)化和自動(dòng)化，從早期的工程算法和紙質(zhì)圖紙下廠發(fā)展至目前可以通過量化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進(jìn)行方案優(yōu)化，結(jié)合精細(xì)有限元方法與三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)從整體到局部的性能進(jìn)行量化掌控和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法的精細(xì)化程度不斷提升。制造技術(shù)方面，自動(dòng)鉚接、焊接等自動(dòng)化工藝逐步替代早期手工工藝，制造效率不斷提升，制造目標(biāo)總從早期主要追求結(jié)構(gòu)成型發(fā)展至目前對(duì)結(jié)構(gòu)形性協(xié)同的考慮和追求越來越高，工藝的環(huán)保性成為重要的考慮因素。設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面越來越能夠模擬真實(shí)環(huán)境，從早期的單部段結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)方法為主，發(fā)展出傳力更真實(shí)的聯(lián)合靜力試驗(yàn)方法等，效率更高、覆蓋面更廣的數(shù)字強(qiáng)度試驗(yàn)方法在新研制的火箭中廣泛應(yīng)用。

1)我國第一型運(yùn)載火箭CZ-1以第二代液體導(dǎo)彈為基礎(chǔ)，一、二級(jí)箭體結(jié)構(gòu)在其基礎(chǔ)上改進(jìn)，箭體結(jié)構(gòu)直徑為2.25 m。貯箱主要采用5A06鋁合金，殼段主結(jié)構(gòu)采用2A12鋁合金。一子級(jí)貯箱采用了化銑網(wǎng)格加筋壁板焊接結(jié)構(gòu)，二子級(jí)貯箱為常溫共底形式，貯箱后底采用了傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力的錐形后底；殼段結(jié)構(gòu)基本為半硬殼結(jié)構(gòu)，整流罩采用了玻璃鋼錐殼與2A12半硬殼組合的結(jié)構(gòu)形式。

2)從第三代液體導(dǎo)彈開始，突破了3.35 m直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)證技術(shù)，貯箱開始應(yīng)用2A14材料，材料性能大幅提升。CZ-2C火箭在第三代液體導(dǎo)彈基礎(chǔ)上研制，箭體結(jié)構(gòu)直徑為3.35 m，貯箱采用2A14鋁合金，殼段主結(jié)構(gòu)采用2A12、7A09鋁合金。一子級(jí)貯箱筒段采用化銑斜置正交網(wǎng)格壁板拼焊結(jié)構(gòu)，后箱后短殼采用了擴(kuò)散集中力的放射筋結(jié)構(gòu)。殼段為2A12半硬殼結(jié)構(gòu)。整流罩采用了玻璃鋼蒙皮與鋁合金桁條、隔框組合的半硬殼結(jié)構(gòu)。

3)CZ-3火箭一級(jí)、二級(jí)箭體直徑為3.35 m，結(jié)構(gòu)由上海航天技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研制；三級(jí)箭體直徑為2.25 m，結(jié)構(gòu)由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研制。CZ-3首次研制了2.25 m直徑蜂窩夾層的氫氧共底貯箱，首次在上面級(jí)采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，包括儀器艙、有效載荷支架等。在CZ-3基礎(chǔ)上，研制了CZ-3A系列運(yùn)載火箭，研制了3 m直徑蜂窩夾層共底氫氧共底貯箱，研制了937B、1194、1666等國際標(biāo)準(zhǔn)星箭接口包帶，有效載荷支架、儀器艙、整流罩均采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。材料體系方面，貯箱仍選用2A14鋁合金，殼段材料主要選用了2A12、7A04、7A09鋁合金等。CZ-4A系列火箭研制了2.9 m直徑常溫共底貯箱。

4)CZ-2E火箭在CZ-2C基礎(chǔ)上突破了捆綁火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)，首次研制了4.2m直徑大整流罩結(jié)構(gòu)，整流罩分離采用了氣囊式縱向分離裝置，首次研制了碳纖維復(fù)合材料過渡支架結(jié)構(gòu)，Φ1868、Φ2042大直徑接口包帶。CZ-2F火箭在CZ-2E基礎(chǔ)上，首次研制了載人火箭逃逸系統(tǒng)及相關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)全箭結(jié)構(gòu)部段開展了破壞試驗(yàn)，獲得了結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)；儀器艙、飛船支架等上面級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)用了1420鋁鋰合金并對(duì)貯箱網(wǎng)格進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；研制了Φ2800直徑接口包帶。

5)2006年以來，隨著我國新一代運(yùn)載火箭CZ-5、CZ-6、CZ-7、CZ-11的研制，運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)進(jìn)入了新的階段。突破了5 m直徑艙段、液氫液氧貯箱、整流罩結(jié)構(gòu)技術(shù)；首次實(shí)現(xiàn)了前捆綁點(diǎn)傳力式捆綁結(jié)構(gòu)研制；首次研制了2.25 m直徑的PMI夾層液氧煤油共底貯箱結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方面，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與有限元計(jì)算工具全面應(yīng)用于運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的精準(zhǔn)程度大幅提升，具備了復(fù)雜載荷下復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)過程及承載性能預(yù)報(bào)能力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)引入運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，提升了結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化水平；部分貯箱加筋壁板采用了三角形網(wǎng)格加筋形式；為了適應(yīng)海南發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射環(huán)境，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了火箭結(jié)構(gòu)的防雨防水設(shè)計(jì)。在材料體系方面，貯箱結(jié)構(gòu)材料全面應(yīng)用了焊接性更好的2219鋁合金，慣組支架等結(jié)構(gòu)應(yīng)用了比剛度更高的鎂合金。在制造工藝方面，攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于貯箱縱縫焊接；高性能整體鍛環(huán)技術(shù)取得突破并應(yīng)用于貯箱過渡段環(huán)；自動(dòng)鉚技術(shù)大量應(yīng)用于殼段結(jié)構(gòu)裝配，金屬增材制造技術(shù)開始應(yīng)用于捆綁接頭等不易加工結(jié)構(gòu)、個(gè)性化定制結(jié)構(gòu)，機(jī)械銑工藝替代化銑工藝用于加筋壁板及異形結(jié)構(gòu)的制造，制造精度、一致性及環(huán)保性都大幅提升。

1.2 國外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 美國

(1)土星V號(hào)

土星V號(hào)是美國國家航空航天局(NASA)為阿波羅計(jì)劃和天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃研制的三級(jí)重型運(yùn)載火箭，于1967年首飛，1973年退役，共發(fā)射了13次，其中一子級(jí)、二子級(jí)箭體直徑10.06 m，三子級(jí)直徑6.6 m。一子級(jí)箱體材料為2219鋁合金，軸壓筒段采用蒙皮-桁條-環(huán)框式結(jié)構(gòu)，箱底為瓜瓣拼焊結(jié)構(gòu)，分兩層焊接，上下層各8塊，前箱推進(jìn)劑通過5個(gè)隧道管輸送。二子級(jí)和三子級(jí)箱體材料均為2014鋁合金，為液氫液氧共底貯箱，前箱為液氫箱，后箱為液氧箱，共底結(jié)構(gòu)上凸，液氧箱筒段是機(jī)械銑網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，液氫箱為蒙皮-桁條-環(huán)框式結(jié)構(gòu)。艙段結(jié)構(gòu)基本采用了蒙皮桁條式半硬殼結(jié)構(gòu)。在推力傳遞方面，一級(jí)采用“殼段+十字橫梁”結(jié)構(gòu)將5臺(tái)F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)約34 000 kN推力傳遞至箭體，二級(jí)采用“錐形殼段+十字橫梁”結(jié)構(gòu)將5臺(tái)J-2液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)約5 150 kN推力傳遞至箭體，三級(jí)采用貯箱箱底直接傳遞1臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)約900 kN推力。

(2)航天飛機(jī)

航天飛機(jī)由NASA在1972年提出，1981年成功首飛，2011年最終退役，共發(fā)射135次。航天飛機(jī)由軌道飛行器、兩個(gè)固體助推器和外貯箱組成。其中外貯箱是最大的結(jié)構(gòu)單元，也是唯一不可重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)，主要功能是為軌道飛行器的3個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)貯存和供給推進(jìn)劑，同時(shí)在發(fā)射中作為結(jié)構(gòu)骨架實(shí)現(xiàn)固體助推器的推力傳遞。外貯箱直徑8.4 m，由液氧箱、箱間段、液氫箱組成，如圖1所示。兩個(gè)固體助推器分別通過前后兩個(gè)捆綁點(diǎn)捆綁在外貯箱上(單個(gè)助推器推力12 899 kN)，其中前捆綁點(diǎn)位于箱間段，為主傳力點(diǎn)，后捆綁點(diǎn)位于液氫箱底部。

圖1 航天飛機(jī)外貯箱結(jié)構(gòu)Fig.1 External tank of the space shuttle

為了適應(yīng)前捆綁點(diǎn)載荷，航天飛機(jī)外貯箱箱間段設(shè)計(jì)為金屬半硬殼+橫梁結(jié)構(gòu)形式，長6.58 m，質(zhì)量6 259 kg，除連接件和橫梁插接結(jié)構(gòu)為鋼之外，其余結(jié)構(gòu)均為鋁合金。液氧箱長16.7 m，質(zhì)量5 602 kg。前底為卵形，由8塊化銑瓜瓣拼焊而成，后底由12塊帶加強(qiáng)筋的化銑瓜瓣與頂蓋拼焊而成，其中頂蓋直徑3.556 m。液氫箱長約21 m，質(zhì)量為13 109 kg。液氫箱前、后底均為由12塊化銑瓜瓣與3.556 m直徑頂蓋拼焊而成的橢球底。

為滿足航天任務(wù)需求，航天飛機(jī)外貯箱經(jīng)歷了3次重大的輕質(zhì)化提升，其采取的措施包括貯箱選材由2219鋁合金升級(jí)為2195鋁合金、結(jié)構(gòu)形式由環(huán)框結(jié)構(gòu)向正置正交網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，同時(shí)開展了大量穩(wěn)定性試驗(yàn)來積累數(shù)據(jù)摸索網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)修正系數(shù)。

(3)Space Launch System(SLS)

目前研制中的SLS Block1構(gòu)型為一級(jí)半構(gòu)型。其芯一級(jí)由美國波音公司負(fù)責(zé)研制，結(jié)構(gòu)直徑8.4 m，總長64.6 m，干重約85 275 kg，材料選用2219鋁合金。芯一級(jí)安裝4臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)(海平面總推力約744 t)，捆綁兩個(gè)固體助推器(單個(gè)助推器推力約1 600 t)。芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)艙，兩個(gè)固體助推器推力通過前捆綁點(diǎn)傳遞至芯一級(jí)箱間段。芯一級(jí)結(jié)構(gòu)由10個(gè)不同長度的筒段、4個(gè)箱底、7個(gè)環(huán)組成前裙、箱間段、液氧箱、液氫箱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙共5個(gè)結(jié)構(gòu)艙段，如圖2所示。每個(gè)筒段均由8塊壁板縱向拼接而成。由于NASA主張最大限度利用航天飛機(jī)的硬件和基礎(chǔ)設(shè)施來建造新的運(yùn)載器，SLS直徑與航天飛機(jī)外掛貯箱一致，芯級(jí)結(jié)構(gòu)基本繼承了航天飛機(jī)的外掛貯箱結(jié)構(gòu)，但艙段結(jié)構(gòu)形式由蒙皮桁條結(jié)構(gòu)改為整體性更強(qiáng)更高的整體壁板拼接結(jié)構(gòu)。SLS絕熱結(jié)構(gòu)由土星V和航天飛機(jī)外貯箱繼承而來，主體采用噴涂環(huán)保聚氨酯泡沫。

圖2 SLS Block1芯級(jí)各部段結(jié)構(gòu)Fig.2 SLS Block1 core stage structure

(4)法爾肯9(Falcon 9)

Falcon 9由SpaceX公司研制，結(jié)構(gòu)直徑為3.66 m，一級(jí)安裝9臺(tái)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)(單臺(tái)海平面推力約84 t)，二級(jí)安裝一臺(tái)Merlin 真空發(fā)動(dòng)機(jī)(真空推力約98 t)，一級(jí)結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用。貯箱布局方面一子級(jí)、二子級(jí)采用相同結(jié)構(gòu)形式的下凹式內(nèi)輸送液氧煤油共底貯箱，前箱為液氧箱，后箱為煤油箱，貯箱筒段為2198鋁鋰合金攪拌摩擦焊蒙皮桁條結(jié)構(gòu)。推力傳遞方面，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過八爪結(jié)構(gòu)(Octaweb)將推力傳遞至箭體。均勻承載結(jié)構(gòu)方面，級(jí)間段采用了碳面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，有效載荷支架為復(fù)合材料錐殼結(jié)構(gòu)，并在頂部進(jìn)行了局部加筋，整流罩為碳面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部貼減噪層。結(jié)構(gòu)中還包含了柵格舵、著陸腿和冷氣解鎖/推沖機(jī)構(gòu)用于一子級(jí)回收。Falcon 9/Heavy在Falcon 9基礎(chǔ)上捆綁兩個(gè)通用芯級(jí)模塊，其中芯級(jí)貯箱壁厚更大，助推器推力通過后捆綁點(diǎn)傳遞至芯級(jí)。Falcon 9火箭結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)火箭結(jié)構(gòu)相比具有其獨(dú)特之處，結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用，貯箱采用焊接蒙皮桁條結(jié)構(gòu)，貯箱縱縫數(shù)量較傳統(tǒng)火箭數(shù)量更多，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在構(gòu)型設(shè)計(jì)階段優(yōu)化程度較高，設(shè)計(jì)思想中充分結(jié)合了性能與成本的綜合考慮。

近年SpaceX正在著力研發(fā)的可重復(fù)使用星際載人運(yùn)載器 Starship結(jié)構(gòu)直徑約10 m，安裝6臺(tái)Raptor發(fā)動(dòng)機(jī)(單臺(tái)推力約200 t)，中間3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力完全通過貯箱箱底傳遞。貯箱選用了不銹鋼材料。

(5)新格倫(New Glenn)

New Glenn是Blue Origin公司正在研制的一級(jí)可重復(fù)使用重型火箭，近地軌道運(yùn)載能力約45 t。其發(fā)布的構(gòu)型方案，如圖3所示?；鸺A箱直徑7 m、尾段直徑8.5 m，一級(jí)安裝7臺(tái)BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)(海平面總推力約1 700 t)，貯箱布局為下凹式共底貯箱，前箱為甲烷箱，后箱為液氧箱，上箱燃燒劑通過下箱內(nèi)隧道管輸送。一級(jí)安裝4個(gè)控制翼及6條著陸腿。火箭二級(jí)安裝2臺(tái)BE-3U液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)(總真空推力約1 060 kN)，貯箱布局為上凸式共底貯箱，前箱為液氫箱，后箱為液氧箱。

圖3 New Glenn兩級(jí)構(gòu)型圖Fig.3 New Glenn two-stage configuration

(6)其他火箭

美國的其他型號(hào)火箭中，也有一些代表性的結(jié)構(gòu)形式，如德爾它4(Delta 4)火箭二級(jí)箱間段采用了X形復(fù)合材料桿系式箱間段，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞至后箱箱底，如圖4所示。半人馬座上面級(jí)(Centaur)貯箱材料采用了301不銹鋼，一臺(tái)和兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型中，發(fā)動(dòng)機(jī)推力(單臺(tái)約13 t)均通過貯箱箱底傳遞。

圖4 Delta 4二級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.4 The second stage of Delta 4

1.2.2 俄羅斯

俄羅斯在蘇聯(lián)時(shí)期研制的火箭有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式。例如聯(lián)盟號(hào)采用了全錐形助推器結(jié)構(gòu)，質(zhì)子號(hào)采用了燃燒劑貯箱并聯(lián)布局形式，能源號(hào)火箭采用了頂掛式助推器捆綁方式，這種助推器頂掛方式具有助推頭錐長度更短、捆綁力不在助推結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生局部彎矩等優(yōu)勢(shì)。此外，微風(fēng)M上面級(jí)采用了環(huán)形共底貯箱、異形貯箱等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式以從構(gòu)型上減小火箭質(zhì)量。這些別具特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式充分體現(xiàn)了以構(gòu)型設(shè)計(jì)為先的設(shè)計(jì)思想。

1.2.3 歐洲

歐洲運(yùn)載火箭阿里安5(Ariane 5)火箭直徑5.4 m，儀器艙、整流罩、有效載荷支架、級(jí)間段均采用了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其低溫上面級(jí)采用了鋁合金異形共底貯箱的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式，并通過貯箱箱底傳遞一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力(67 kN)，如圖5所示。Ariane 6 火箭總體技術(shù)方案及運(yùn)載能力與Ariane 5相似，結(jié)構(gòu)直徑5.4 m，一級(jí)安裝一臺(tái)Vulcan 2.1發(fā)動(dòng)機(jī)(海平面推力約140 t)，二級(jí)安裝一臺(tái)Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)(真空推力約18 t)，捆綁2枚或4枚固體助推器(單枚推力約350 t)。降低成本是Ariane 6研制的主要驅(qū)動(dòng)力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Ariane集團(tuán)基于工業(yè)4.0的理念和技術(shù)基礎(chǔ)，以裝配和制造環(huán)節(jié)作為突破點(diǎn)，通過批量化生產(chǎn)，追求規(guī)模效益，實(shí)現(xiàn)發(fā)射成本降低到Ariane 5的40%～50%的目標(biāo)。

圖5 Ariane 5 低溫上面級(jí)Fig.5 Cryogenic upper stage of Ariane 5

1.3 國內(nèi)外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展對(duì)比

經(jīng)過近60年發(fā)展，我國已經(jīng)形成了獨(dú)立自主的運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)研制體系，支撐了新一代運(yùn)載火箭的研制。我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)與航天強(qiáng)國的對(duì)比情況如下。

1)在大尺寸運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)研制方面，美國和俄羅斯均具備10 m級(jí)箭體結(jié)構(gòu)的研制能力，目前美國SLS完成了所有8.4 m結(jié)構(gòu)部段的生產(chǎn)及子級(jí)組裝，我國目前正在開展10m級(jí)殼段、貯箱、分離結(jié)構(gòu)、整流罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。

2)在重復(fù)使用火箭結(jié)構(gòu)方面，美國通過航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)和使用維護(hù)，在結(jié)構(gòu)重復(fù)使用設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與評(píng)估方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。Falcon 9等火箭形成了成熟穩(wěn)定的垂直起降結(jié)構(gòu)技術(shù)及火箭結(jié)構(gòu)的重復(fù)使用技術(shù)。歐洲和日本正分別通過卡列斯托(Callisto)和RVT試驗(yàn)性火箭探索重復(fù)使用技術(shù)。中國目前已完成火箭一子級(jí)精確落區(qū)控制和助推器傘降回收技術(shù)驗(yàn)證，正在開展火箭垂直著陸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的工程研制和原理研究。

3)在結(jié)構(gòu)布局、傳力方案與結(jié)構(gòu)形式的選擇方面，我國運(yùn)載火箭多數(shù)為分體式貯箱，少數(shù)外輸送式共底貯箱。近年來國外新研制的運(yùn)載火箭中，二級(jí)或上面級(jí)以上結(jié)構(gòu)大多數(shù)都采用了共底貯箱的布局方式，越來越多新研制的火箭采用了不可用推進(jìn)劑更少、推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)布局及分離更簡單的下凹式內(nèi)輸送共底貯箱構(gòu)型。在發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞方案方面，我國推力傳遞方案及結(jié)構(gòu)形式較單一，基本為桿系式發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架形式，火箭動(dòng)力系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一體優(yōu)化設(shè)計(jì)不足。國外火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞結(jié)構(gòu)形式多樣，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)布局、推力大小等按需優(yōu)化設(shè)計(jì)，存在多樣的輕質(zhì)推力傳遞結(jié)構(gòu)方案。新研制的運(yùn)載火箭中，對(duì)于中心一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)或推力在10 t量級(jí)的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力布局，較多采用了直接用貯箱箱底傳遞推力的傳力方式，Starship構(gòu)型中直接利用貯箱箱底傳遞3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)約600 t推力。在級(jí)間段等以軸壓失穩(wěn)為主要失效模式的均勻承載艙段的結(jié)構(gòu)形式方面，我國運(yùn)載火箭級(jí)間段一般采用鋁合金蒙皮桁條結(jié)構(gòu)，F(xiàn)alcon 9、Ariane 5等采用了理論承載效率更高的碳面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方面，我國運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)選取、強(qiáng)度剛度計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)裕度留取方面與國外并無本質(zhì)差異。安全系數(shù)普遍在1.2～1.4，強(qiáng)度剛度計(jì)算方法上主要基于薄殼理論、多層殼理論及框-梁計(jì)算等傳統(tǒng)計(jì)算方法，同時(shí)利用數(shù)值仿真技術(shù)開展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和精細(xì)化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)裕度留取方面主要根據(jù)火箭的可靠性要求進(jìn)行選取。近年來，美國針對(duì)加筋柱殼、球殼等結(jié)構(gòu)失穩(wěn)折減因子開展了較精細(xì)和系統(tǒng)的研究，我國也針對(duì)網(wǎng)格加筋柱殼失穩(wěn)在和對(duì)幾何偏差的敏感性等開展了相關(guān)研究。

5)在高性能材料研制及材料選用方面，我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)材料性能相對(duì)較低，先進(jìn)復(fù)合材料用量相對(duì)較少，應(yīng)用水平不高。國外先進(jìn)航天強(qiáng)國高性能鋁鋰合金等材料研制成熟，材料性能比我國目前主要選用的2219鋁合金高100 MPa。材料選用方面，國外火箭尤其是近年來新研制火箭在結(jié)構(gòu)選材方面出現(xiàn)更靈活的選材趨勢(shì)，如SpaceX根據(jù)火箭需求靈活多樣化地選擇了鋁鋰合金、不銹鋼、復(fù)合材料等。

6)在運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展與選用方面，我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制造及整體化制造技術(shù)及能力存在一定差距。SpaceX全箭貯箱箱底均采用了整體旋壓技術(shù)，Ariane 5開展了5 m直徑箱底旋壓技術(shù)研究，日本H-II火箭開展了4 m直徑箱底旋壓技術(shù)研究。我國運(yùn)載火箭目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)2.25 m直徑整體成形箱底型號(hào)應(yīng)用，正在開展3.35 m直徑貯箱箱底整體成形技術(shù)研究。在結(jié)構(gòu)制造工藝路線的選擇方面，近年來國外新研的火箭結(jié)構(gòu)在制造工藝上有新的變化，例如SLS將傳統(tǒng)主要應(yīng)用于貯箱筒段的壁板拼接工藝路線用于艙段結(jié)構(gòu)的制造，SpaceX將傳統(tǒng)主要用于艙段結(jié)構(gòu)的蒙皮桁條式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于貯箱筒段并采用縱向攪拌摩擦焊方式實(shí)現(xiàn)蒙皮與桁條的連接。

7)在運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證方面，美國、俄羅斯具備10 m級(jí)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)芰?。目前我國通過新一代運(yùn)載火箭的研制，具備了5 m級(jí)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ谠囼?yàn)項(xiàng)目選取和試驗(yàn)方式方面，美國、俄羅斯地面試驗(yàn)項(xiàng)目工況更多。例如SLS一級(jí)氫箱的靜力試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目多達(dá)38項(xiàng)，涵蓋內(nèi)壓、彎矩、剪力、扭矩、集中力等所有載荷和環(huán)境工況；航天飛機(jī)的主捆綁結(jié)構(gòu)在出廠試驗(yàn)前均開展出廠驗(yàn)收試驗(yàn)。同時(shí)在試驗(yàn)介質(zhì)方面也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，SLS一級(jí)氫箱爆破試驗(yàn)過程中采用了氣壓爆破。我國通過新一代運(yùn)載火箭的研制，靜力試驗(yàn)技術(shù)取得了較大進(jìn)步，在多部段聯(lián)合試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)邊界等方面均有所創(chuàng)新，但是在試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、試驗(yàn)加載方法及測(cè)量手段等方面仍有一定差距。

2 我國下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展需求

秦旭東等對(duì)中國運(yùn)載火箭進(jìn)行了劃代研究，將我國運(yùn)載火箭劃分為4代，并提出了未來中國運(yùn)載火箭的重點(diǎn)發(fā)展方向，包括研制重型運(yùn)載火箭、重復(fù)使用運(yùn)載器、構(gòu)建快速響應(yīng)發(fā)射能力等。我國下一代運(yùn)載火箭的研制及國內(nèi)外不斷降低進(jìn)入空間門檻的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)提出了一系列發(fā)展需求。

2.1 重型運(yùn)載火箭對(duì)大直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的需求

我國重型運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)直徑達(dá)到10 m級(jí)，結(jié)構(gòu)承載需求達(dá)到 4 000 t級(jí)、分離質(zhì)量達(dá)到百噸級(jí)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，隨著結(jié)構(gòu)規(guī)模增大，全箭頻率變低對(duì)箭體結(jié)構(gòu)載荷的影響，10 m級(jí)直徑箭體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)制造及形位公差變大對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響評(píng)估，百噸級(jí)分離質(zhì)量的可靠分離技術(shù)等問題都需要開展系統(tǒng)的研究，需要建立系統(tǒng)的10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)體系。在結(jié)構(gòu)制造技術(shù)方面，箭體直徑增大對(duì)結(jié)構(gòu)制造性、精度控制、制造裝備等提出了直接的需求，傳統(tǒng)成形制造方案已經(jīng)難以滿足需求；在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方面，現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)芰σ呀?jīng)難以滿足箭體結(jié)構(gòu)直徑和載荷的要求。

2.2 可重復(fù)使用運(yùn)載火箭對(duì)著陸返回系統(tǒng)及箭體結(jié)構(gòu)復(fù)用性的需求

可重復(fù)使用運(yùn)載火箭能夠快速、經(jīng)濟(jì)、常態(tài)化地進(jìn)入空間，有效降低運(yùn)載成本，提高發(fā)射頻率，具有極大的經(jīng)濟(jì)和軍事價(jià)值。目前我國正在開展重復(fù)使用火箭的研制。運(yùn)載火箭重復(fù)使用對(duì)結(jié)構(gòu)技術(shù)提出了新的研制需求，如火箭返回所需的氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、著陸緩沖機(jī)構(gòu)、可復(fù)用連接解鎖推沖機(jī)構(gòu)、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等，需綜合考慮我國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、控制、地面設(shè)備等領(lǐng)域的技術(shù)狀態(tài)，統(tǒng)籌制訂適宜的火箭結(jié)構(gòu)形式。此外,我國現(xiàn)役火箭箭體結(jié)構(gòu)均按極限承載進(jìn)行設(shè)計(jì)，在重復(fù)使用火箭中，需要對(duì)箭體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、復(fù)用性檢測(cè)與評(píng)估方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立可復(fù)用性及復(fù)用次數(shù)的評(píng)估準(zhǔn)則，開展面向重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究。

2.3 運(yùn)載效率提升對(duì)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的需求

通過新一代運(yùn)載火箭的研制，目前我國大、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。新一代運(yùn)載火箭CZ-7 和CZ-5 的近地軌道運(yùn)載系數(shù)分別為2.36%和2.8%，而美國德爾塔和宇宙神系列、俄羅斯安加拉等大中型火箭運(yùn)載系數(shù)都在3.0%以上。在運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力水平一定條件下，結(jié)構(gòu)系數(shù)提升是火箭運(yùn)載效率提升的直接手段。目前我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系數(shù)(0.057～0.184 1)較國外火箭的結(jié)構(gòu)系數(shù)(0.052 80～0.166 67)偏大。箭體結(jié)構(gòu)在運(yùn)載火箭干重組成中占比超過50%，箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化是提升運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系數(shù)的主要手段。

2.4 性能跨越對(duì)結(jié)構(gòu)智能化的需求

我國運(yùn)載火箭在發(fā)展歷程中形成了基于偏差的包絡(luò)設(shè)計(jì)方法和基于有限故障的冗余設(shè)計(jì)方法,在現(xiàn)役運(yùn)載火箭的研制、運(yùn)營中得到了成功應(yīng)用。在CZ-5、CZ-7等新一代火箭上，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在下一代火箭結(jié)構(gòu)發(fā)展中，傳統(tǒng)包絡(luò)設(shè)計(jì)方法存在設(shè)計(jì)余量大于實(shí)際需求，造成結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化難度大的問題。開發(fā)具有自感知功能的智能結(jié)構(gòu)，通過飛行數(shù)據(jù)積累進(jìn)行載荷識(shí)別，是提高設(shè)計(jì)精細(xì)化水平的可行途徑。下一代運(yùn)載火箭對(duì)先進(jìn)性和多功能性的追求也催生了對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能蒙皮、自感知自修復(fù)、智能可變形結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的需求，需要將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)與新興領(lǐng)域深度融合。

2.5 運(yùn)載火箭商業(yè)化對(duì)結(jié)構(gòu)低成本與高效率制造的需求

國際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭日趨白熱化，國內(nèi)外航天公司都把降低發(fā)射成本作為發(fā)展重點(diǎn)，對(duì)火箭結(jié)構(gòu)提出了盡可能降低結(jié)構(gòu)成本、盡可能縮短結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造周期的需求。除重復(fù)使用外，F(xiàn)alcon 9采用了CAD與CAM一體化，實(shí)現(xiàn)柔性制造，大大減少工裝數(shù)量，設(shè)計(jì)上盡量使用相同的材料、模具、工藝實(shí)現(xiàn)組批生產(chǎn)控制成本。Ariane 6火箭在液體發(fā)動(dòng)機(jī)上充分應(yīng)用3D打印技術(shù)、固體助推器由分段式改為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造一段式整體推器，并且貫徹自動(dòng)化理念，打造工業(yè)4.0時(shí)代的數(shù)字化工廠，通過多種制造工藝升級(jí)與裝配方式改變來提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，實(shí)現(xiàn)發(fā)射價(jià)格相比Ariane 5降低40%～50%的目標(biāo)?；鹕窕鸺龜M通過方案優(yōu)化、精簡構(gòu)型的方式減少產(chǎn)品開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，降低發(fā)射成本，以研制出在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)和政府軍方發(fā)射市場(chǎng)中兼顧高可靠和低成本、具備更強(qiáng)競(jìng)爭力的火箭。商業(yè)火箭對(duì)低成本和高效率的追求可能將引起我國運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面研制模式的較大變革。

3 下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)分析

基于發(fā)展需求可知，我國下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的主要特征可以概括為尺寸大型化、重復(fù)使用化、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、結(jié)構(gòu)智能化、研制高效化5個(gè)方面，如表1所示。

表1 我國下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

在尺寸大型化方面，通過10 m級(jí)直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)高精度制造技術(shù)、10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證體系等方面研究，實(shí)現(xiàn)10 m級(jí)直徑箭體結(jié)構(gòu)研制，并構(gòu)建起完整的10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)研制能力體系。在重復(fù)使用化方面，通過火箭子級(jí)著陸回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)、返回防熱結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)復(fù)用性評(píng)估與設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)通用著陸回收系統(tǒng)研制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的高可靠回收，實(shí)現(xiàn)子級(jí)結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用。在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化方面，通過結(jié)構(gòu)一體優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式研究與應(yīng)用，結(jié)構(gòu)性能高精度預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，高性能材料的研發(fā)與應(yīng)用，整體化高精度制造技術(shù)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)的研究，提升箭體結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化水平，完成下一代輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)形式研制，支撐我國運(yùn)載火箭運(yùn)載效率提升。在結(jié)構(gòu)智能化方面，通過載荷識(shí)別、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能皮膚、智能變體結(jié)構(gòu)等技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升火箭輕質(zhì)化和復(fù)用化水平，實(shí)現(xiàn)火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力提升和火箭功能拓展。在研制高效化方面，通過箭體結(jié)構(gòu)平臺(tái)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究、高制造效率及低成本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，自動(dòng)化制造能力進(jìn)一步提升，結(jié)構(gòu)成本大幅下降，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造效率大幅提升。

3.1 尺寸大型化

3.1.1 10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

根據(jù)我國箭體結(jié)構(gòu)由Φ3.35 m到Φ5.0 m的研制經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)直徑增大將對(duì)傳統(tǒng)箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法帶來挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)結(jié)構(gòu)直徑增大帶來的計(jì)算規(guī)模問題，需要探索理論計(jì)算和有限元分析的結(jié)合方法，解決設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性的矛盾，建立10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化技術(shù)；2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式在10 m直徑及重型火箭載荷環(huán)境的不再適應(yīng)的問題，需要研制包括貯箱低附加應(yīng)力底型、復(fù)合網(wǎng)格加筋殼、柔性防晃板、大流量消能器等在內(nèi)的新結(jié)構(gòu)形式并建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法；3)快速工程計(jì)算方法對(duì)10 m級(jí)結(jié)構(gòu)的適用性問題，如半硬殼結(jié)構(gòu)承載能力工程計(jì)算方法、蒙皮厚度對(duì)承載能力貢獻(xiàn)問題；4)缺陷敏感性問題，對(duì)于10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)如何選取合理的試驗(yàn)修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)滿足輕質(zhì)化的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)；5)考慮制造約束條件下殼段、貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架的一體化設(shè)計(jì)問題等。

3.1.2 10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)的制造能力直接挑戰(zhàn)國家工業(yè)基礎(chǔ)能力，如何在實(shí)現(xiàn)極端制造的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化和功能化成為關(guān)鍵。貯箱方面主要需要開展超大尺度下復(fù)雜薄壁構(gòu)件/整體環(huán)件的高精度高性能成形制造的新原理、新技術(shù)研究，整體柔性和局部強(qiáng)剛性約束條件下的精準(zhǔn)立式裝配焊接新理念、新方法，新型環(huán)保絕熱材料的高效精確施工技術(shù)等研究。殼段方面需要開展超大尺度下復(fù)雜承載構(gòu)件的短流程高性能制造技術(shù)，超大直徑金屬和復(fù)合材料殼段的柔性高效制造技術(shù)，承載-功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的精確制造技術(shù)等。

3.1.3 10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)也給試驗(yàn)方法和試驗(yàn)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。試驗(yàn)方法方面，需要通過試驗(yàn)方案和試驗(yàn)流程的創(chuàng)新，在保障地面試驗(yàn)工況覆蓋飛行工況的條件下，避免地面試驗(yàn)工況成為箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工況；試驗(yàn)實(shí)施方面，需要解決超大尺度、超大載荷、極端復(fù)雜環(huán)境下試驗(yàn)高效率精確實(shí)施難題，主要集中在靜力試驗(yàn)超大載荷加載技術(shù)、超大容積的低溫試驗(yàn)技術(shù)、超大結(jié)構(gòu)分離試驗(yàn)技術(shù)、極端復(fù)雜熱流環(huán)境模擬技術(shù)、新型高效測(cè)量技術(shù)等方面；試驗(yàn)評(píng)估方面，需要通過試驗(yàn)測(cè)量手段創(chuàng)新和虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力試驗(yàn)的交互融合。

3.2 重復(fù)使用化

3.2.1 返回著陸結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)

無論重復(fù)使用航天運(yùn)載器采用何種返回方式，均需解決如何返回和如何著陸兩個(gè)問題，才能夠在無損回收的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)檢修后的重復(fù)使用。為滿足返回和著陸兩個(gè)環(huán)節(jié)的需求，箭體結(jié)構(gòu)需增加氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、著陸緩沖機(jī)構(gòu)以及連接解鎖推沖機(jī)構(gòu)等，在滿足功能需求的同時(shí)，不能影響主任務(wù)的安全性，也不能對(duì)運(yùn)載能力造成過高的損失。

3.2.2 結(jié)構(gòu)重復(fù)使用設(shè)計(jì)與評(píng)估

首先需要在目前一次性火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)返回過程復(fù)雜嚴(yán)酷的力熱環(huán)境和著陸載荷，開展輕質(zhì)高可靠結(jié)構(gòu)研究，確保返回過程承載及熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。由于在飛行與返回過程后，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了復(fù)雜的熱力環(huán)境，結(jié)構(gòu)狀態(tài)可能與首次飛行前的狀態(tài)存在區(qū)別，需要開展結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)研究，評(píng)估下一次飛行的結(jié)構(gòu)可靠性，并在此基礎(chǔ)上開展面向重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)可檢測(cè)性與維護(hù)性設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)的復(fù)用性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面，目前重復(fù)使用火箭與傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的超長壽命重復(fù)使用不同，一般為有限次重復(fù)使用，需要開展適用于有限次重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和評(píng)估體系研究。

3.3 結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化

3.3.1 結(jié)構(gòu)一體優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化是結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的頂層手段。我國運(yùn)載火箭傳統(tǒng)的研制模式對(duì)多系統(tǒng)融合的結(jié)構(gòu)布局一體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究不足,需要在貯箱布局、發(fā)動(dòng)機(jī)傳力結(jié)構(gòu)布局等方面開展動(dòng)力系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；在設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)方面開展設(shè)備與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，優(yōu)化設(shè)備環(huán)境與接口裕度；在結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)層面，開展“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—材料特性—制造技術(shù)”三者協(xié)同的一體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分利用材料性能優(yōu)異的方面，規(guī)避材料性能較差的方面，充分利用制造環(huán)節(jié)最大化材料性能。

3.3.2 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式研究與應(yīng)用

針對(duì)運(yùn)載火箭的貯箱與艙段兩種主體結(jié)構(gòu)類型，開展高承載效率輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式研究，研制出下一代更輕質(zhì)化的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于貯箱結(jié)構(gòu)，突破復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)、內(nèi)輸送式共底貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)、直接承載發(fā)動(dòng)機(jī)推力貯箱箱底結(jié)構(gòu)優(yōu)化及制造關(guān)鍵技術(shù)，形成下一代貯箱結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于大軸壓承載貯箱，研究高加筋壁板的設(shè)計(jì)方法、壁板高精度成型及高可靠焊接等技術(shù)，提高軸壓承載效率。針對(duì)均勻承載的殼段結(jié)構(gòu)，突破面向極限承載的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與大厚度夾層結(jié)構(gòu)制造等關(guān)鍵技術(shù)，將目前主要應(yīng)用與上面級(jí)結(jié)構(gòu)的夾層式結(jié)構(gòu)擴(kuò)展應(yīng)用至千噸級(jí)承載結(jié)構(gòu)。突破100 mm級(jí)高加筋整體式壁板高性能高精度制造，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，在提高結(jié)構(gòu)集中力承載可靠性的基礎(chǔ)上提升承載效率。

3.3.3 輕質(zhì)高強(qiáng)合金材料研發(fā)及復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)

高比強(qiáng)度、比剛度材料的合理應(yīng)用可以直接提升結(jié)構(gòu)性能和輕質(zhì)化水平，航天飛機(jī)外掛貯箱通過采用2195合金替代2219合金的方式取得了貯箱減質(zhì)3 175 kg的成果。目前，我國運(yùn)載火箭對(duì)高性能金屬及復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用水平還存在一定差距。促進(jìn)以鋁鋰合金、高強(qiáng)鋁合金、高模量鋁合金、高性能鎂合金為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金材料的研發(fā)，并通過這些高性能新材料的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)貯箱結(jié)構(gòu)鋁鋰合金強(qiáng)度達(dá)到600 MPa級(jí)、700 MPa級(jí)鋁合金廣泛應(yīng)用于艙段主結(jié)構(gòu)，提高高性能復(fù)合材料在運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)尤其是上面級(jí)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例和應(yīng)用水平等有望較大程度提升箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化水平。

3.3.4 結(jié)構(gòu)性能高精度預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

提升結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)的精度可以更精確地掌握結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能，壓縮和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裕度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化。具體研究方向包括：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)精細(xì)強(qiáng)度分析技術(shù)、基于偏差的結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)價(jià)技術(shù)及反向優(yōu)化技術(shù)、面向結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及動(dòng)強(qiáng)度的分析與優(yōu)化、面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、考慮薄壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法等。通過這些關(guān)鍵技術(shù)的研究，提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)水平、對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)的設(shè)計(jì)水平?；诋a(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于偏差的結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)價(jià)及面向性能敏感性的設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化。

3.3.5 結(jié)構(gòu)整體化制造技術(shù)

結(jié)構(gòu)整體化制造技術(shù)通過減少結(jié)構(gòu)之間的連接，一方面通過提升結(jié)構(gòu)的整體性能來提升輕質(zhì)化水平，另一方面減輕由于連接帶來的局部加強(qiáng)等質(zhì)量犧牲，具體研究方向包括：大直徑貯箱箱底整體旋壓技術(shù)、適用于殼段結(jié)構(gòu)的高加筋整體壁板高精度成型與去應(yīng)力技術(shù)、大型結(jié)構(gòu)件增材制造技術(shù)等。

3.4 結(jié)構(gòu)智能化

3.4.1 載荷識(shí)別技術(shù)

火箭飛行中所受的各類載荷難以直接獲取，需通過分析計(jì)算得出。根據(jù)確定性的結(jié)構(gòu)以及精確的動(dòng)力學(xué)模型，通過人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法從結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息來反演獲取載荷，從而通過飛行試驗(yàn)進(jìn)行載荷識(shí)別是提高火箭精細(xì)化設(shè)計(jì)水平的途徑之一。載荷識(shí)別屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的反問題，其求解比由載荷知道響應(yīng)的正問題更為復(fù)雜，且復(fù)雜結(jié)構(gòu)普遍存在著載荷來源的多源不確定性問題。目前復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別技術(shù)尚不成熟，可結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)并通過飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證進(jìn)行探索。

3.4.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與智能皮膚技術(shù)

隨著航天運(yùn)載器重復(fù)使用、上面級(jí)長期在軌、火箭結(jié)構(gòu)長期貯存等方面的發(fā)展，將傳感器或驅(qū)動(dòng)器與主體結(jié)構(gòu)集成，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)存在廣闊應(yīng)用前景。在貯存、飛行及回收后通過健康檢測(cè)技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等狀態(tài)信息，就能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的受載響應(yīng)、壽命等進(jìn)行有效評(píng)估。在以薄壁殼體或夾芯結(jié)構(gòu)為主的運(yùn)載火箭主體結(jié)構(gòu)中，將先進(jìn)傳感器、驅(qū)動(dòng)器、微處理器與蒙皮集成形成智能皮膚，從而使蒙皮結(jié)構(gòu)具有自感知、自修復(fù)等能力。利用柔性印刷電路、3D打印等先進(jìn)工藝形成的柔性傳感器網(wǎng)絡(luò)，使傳感器及引線具備柔性、輕質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，能夠避免分立式傳感和驅(qū)動(dòng)器件效率低、成本高、質(zhì)量控制難的難題。

3.4.3 智能變體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著火箭性能要求的提高，通過改變外形來改變其氣動(dòng)特性從而提高適應(yīng)性和拓展功能的變體結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生?？梢允褂幂^為傳統(tǒng)的基于機(jī)構(gòu)技術(shù)的剛體變形，也可以使用基于柔性智能材料的柔體變形。將傳感器、作動(dòng)器及智能材料與基體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知和主動(dòng)變形，光滑、連續(xù)的變體結(jié)構(gòu)能夠?qū)鈩?dòng)、噪聲、氣動(dòng)彈性等進(jìn)行智能控制，提升整體性能。目前智能變體結(jié)構(gòu)尚處于探索階段，在伸縮材料、壓電材料和形狀記憶合金等智能材料中，形狀記憶合金已應(yīng)用于空間展開機(jī)構(gòu)、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)和變形翼研究中，在高外載環(huán)境的火箭變體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

3.5 研制高效化

3.5.1 結(jié)構(gòu)產(chǎn)品平臺(tái)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

基于結(jié)構(gòu)產(chǎn)品單機(jī)平臺(tái)化、零組件貨架化的產(chǎn)品化理念，通過殼段、貯箱結(jié)構(gòu)、分離裝置產(chǎn)品平臺(tái)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)基于技術(shù)要素、生產(chǎn)要素、產(chǎn)品要素的結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)和制造，提高制造裝備及工裝的通用性，同時(shí)基于零組件貨架建設(shè)和產(chǎn)品模型庫的建立，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)選用化和生產(chǎn)批量化目標(biāo)，大幅提升設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率，降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本。

3.5.2 低成本結(jié)構(gòu)與高效率制造技術(shù)

結(jié)構(gòu)的制造效率和成本在很大程度上制約了運(yùn)載火箭的研制周期和發(fā)射成本，在確保結(jié)構(gòu)性能可控前提下，研究高效率低成本結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。主要研究方向包括桁-框加筋筒段結(jié)構(gòu)、整體成形箱底結(jié)構(gòu)、擠壓壁板艙段結(jié)構(gòu)等。

3.5.3 設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)

新一代火箭結(jié)構(gòu)在數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化三維模裝、仿真分析等方面取得廣泛應(yīng)用。在下一代火箭結(jié)構(gòu)發(fā)展中，基于數(shù)字孿生的火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)是重要的發(fā)展方向，包括基于數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造仿真和試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。強(qiáng)化虛擬映射、模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)管理，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率，達(dá)到從設(shè)計(jì)到零部件制造、產(chǎn)品裝配和性能評(píng)價(jià)的全流程模型與數(shù)據(jù)傳遞，有效預(yù)測(cè)真實(shí)產(chǎn)品性能，提高精細(xì)化設(shè)計(jì)水平。

4 結(jié)論

本文基于未來我國運(yùn)載火箭的研制需求、國內(nèi)外運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)比分析，提出我國下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征主要表現(xiàn)在尺寸大型化、重復(fù)使用化、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、結(jié)構(gòu)智能化、研制高效化5個(gè)方面。下一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)要在上述方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越，需要發(fā)展的支撐關(guān)鍵技術(shù)包括 10 m 直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)高精度制造技術(shù)、10 m級(jí)直徑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，著陸回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)、結(jié)構(gòu)重復(fù)使用性設(shè)計(jì)與評(píng)估，結(jié)構(gòu)一體優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式研究與應(yīng)用、輕質(zhì)高強(qiáng)合金材料及復(fù)合材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)性能高精度預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、載荷識(shí)別技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能變體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)整體化制造技術(shù)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)品平臺(tái)化設(shè)計(jì)技術(shù)、低成本結(jié)構(gòu)與高效率制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)等。