低温贮箱及铝锂合金的应用

低温贮箱及铝锂合金的应用熊焕(北京宇航系统工程设计部，北京，100076)摘要从贮箱结构方案和材料应用两个方面对新型低温贮箱技术进行了论述。

提出了运载火箭低温贮箱的几种总体布局方案和结构形式；明确指出新型低温贮箱的主体结构材料应立足于先进的铝锂合金。

在制造工艺方面，提出了需重点开展研究工作的两项关键制造技术：成形技术和焊接技术。

关键词运载火箭，低温贮箱，结构，铝锂合金，制造工艺。

Cryogenic Tank and Applicatoin of Aluminium Lithium AlloyXiong Huan(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering ,Beijing,100076)Abstract New cryogenic tank technology is discussed in two aspects of ta nk structrur e concept and material application. Several general arrangement concepts and str uctrural configurations of cryogenic tank are put forward, and it is pointed out clearly that main structure material of new cryogenic tank should be based on ad vanced aluminum lithium alloy. In manufacturing process, two items of key manuf act uring techniques that should be developed emphatically are pointed out, one is f orming process and another is welding technique.Key Words Launch vehicle, Cryogenic tank, Structure, Aluminum Lithium al loy, Manufacture process.1 前言据有关机构预测和分析：到2006年，全球约有1 138颗卫星需要发射，其中地球同步轨道卫星约占63%；到2010年，全球将研制和发射中型和大型地球同步轨道通信卫星约460颗。

为了有效地利用有限轨道资源，卫星质量和尺寸有不断增大的趋势。

从现在起投入研制的国际通信卫星数量和尺寸已明显增加，预计到2006年新卫星将有50%超过4.1 t。

面对如此巨大的市场前景，各航天大国都在千方百计地争夺国际航天商务发射市场，在保持现有运载火箭正常运营的同时，不断提出新方案及制订现有火箭的改进计划，进一步增大运载能力，以满足商业卫星质量不断增加的需求。

同时，把提高发射可靠性、对任务的适应性和可操作性、降低发射成本作为不断改进的目标。

大质量商业卫星的不断增加，决定了未来运载火箭大型化的发展方向。

新型运载火箭将采用全新的技术(包括新型发动机和轻质材料大直径贮箱等)，从而形成与过去型号完全不同的大型运载火箭，使运载能力得到成倍的提高。

2 大型低温贮箱的结构方案一般放置在上端，其直径与火箭箭体的外径相同。

氧箱容积较小，一般悬挂于氢箱下部，与氢箱通过共底相连。

氧箱的下部通过机架直接与发动机相连，并将发动机推力所产生的轴向载荷传递给氢箱。

基础级和上面级的分离面是上面级氢箱与级间段的对接面，级间段为基础级重量。

上面级工作时，级间段连同基础级结构已经分离，这时上面级的结构重量较小。

上面级的结构重量与有效载荷的关系是1∶1，因此，减小上面级重量可以直接提高有效载荷的运载能力。

日本H-II火箭的低温上面级采用了这种布局方案。

d)悬挂式贮箱。

这类贮箱是由飞机油箱发展而来，其功能仅作为动力系统的一个部件，贮存和供应推进剂，不承受和传递飞行载荷。

这类贮箱结构效率低，现已被淘汰。

2.2结构方案作为一次性使用运载火箭，推进剂贮箱基本结构均是由圆筒段和箱底等组成，对于超低温贮箱还应有绝热结构。

贮箱的结构形式与其所承受的载荷有关，根据载荷的性质和大小来选取有效的结构形式，以达到最优的结构设计要求。

2.2.1箱底箱底是贮箱的一个组成部分，其上开有各种用途的孔，如人孔、保险活门和液位指示器安装孔、推进剂输送管孔等。

箱底的底形可分为：半球形底、半椭球形底、锥形底、三心底以及由这些底形曲线组合的底。

底形选择需要考虑结构重量、箱体容积、箭体长度和空间开敞性等因素。

从承载能力考虑半球形底最为有利，不过此时底型较深，使得箭体长度增加。

对半椭球形底、三心底和锥形底，底的高度越低，底形越浅，则箱底的受力就越为不利，箱底的结构效率也就会越低。

底形的选择要根据总体布局要求，综合平衡各方面的因素，选取最优的结构外形。

2.2.2箱筒段承力式贮箱的箱筒段是箭体结构中的主要承力结构，它要承受复杂的外载荷，包括内压、轴压、弯矩和剪力等。

根据箱筒段所承受的不同载荷来选取不同的结构形式方能达到最有效的设计。

对于受拉贮箱，有效的结构形式就是单一的硬壳式结构(光壳结构)。

对于受压贮箱，其轴向载荷是压缩载荷，因而把稳定性作为这类贮箱的主要设计要求。

大型运载火箭的轴向压缩载荷远大于内压所产生的轴向拉伸载荷，为受压贮箱，其优选的结构形式主要有半硬壳式结构和网格加筋结构。

a) 半硬壳式结构。

半硬壳式结构也就是蒙皮-桁条结构。

当内压较小而轴向载荷较大时，箱筒段的纵向刚度远大于环向刚度。

按稳定性设计要求，采用蒙皮-桁条结构用强的纵向加强筋来承受较多的轴向载荷，可以获得较高的结构效率。

这种结构的蒙皮和桁条主要有以下3种制造方法：1) 通过挤压成型构成整体壁板；2) 厚板通过机械铣切加工而成；3) 将桁条焊接在蒙皮上。

在上述3种制造方法中，第1种方法制造成本最低，生产效率高，但需要研制大型专用挤压成型设备，前期投入大；第2种方法，制造成本最高，材料利用率低，生产效率也低；第3种方法，制造成本低，材料利用率高，生产效率较高，但需突破焊接技术，控制焊接变形，配备专门的焊接设备，前期投入较小。

b) 网格加筋结构。

合金的历史。

目前，美、俄两国铝锂合金的生产规模已达到工业化水平，并进入实用化阶段。

3.3国内铝锂合金材料研究情况在过去的15年中，有关的材料研究部门先后从事了20 91铝锂合金板材应用研究、2091板材超塑成形工艺研究；1420铝锂合金板材应用研究及1420 铝锂合金模锻件应用研究课题。

“八·五”期间于国内首次将1420铝锂合金型材成功用于CZ -2F火箭二级壳体结构；“九·五”期间研究成功1 500 mm高的1420铝锂合金特深模锻件，并突破应用研究的相关技术。

在“九·五”期间，初步开展了2195铝锂合金探索性试验研究，进行了合金成分、热处理工艺、轧制工艺探索试验，轧制出2 mm厚的实验室规模的2195铝锂合金板材，其性能σb≥550 MPa，σ0.2≥500 MPa。

3.4运载火箭贮箱材料现状我国目前运载火箭贮箱结构材料的使用还处于20～35年以前的技术水平。

60年代，在贮箱的制造中采用了铝镁合金LF6 (俄罗斯牌号为АМГ6)，为第1代贮箱结构材料；70年代初开始，运载火箭(CZ-2C、CZ-3、CZ-3A、CZ-2E、CZ-2C/FP、CZ-3B、CZ-2F等)开始使用铝铜合金LD1 0 (美国牌号为2014、俄罗斯牌号为АК8)作为贮箱结构材料，属第2代贮箱结构材料，至今已30年了。

在应用新的轻质铝锂合金材料制造贮箱方面，至今还是空白。

LD10合金是我国目前运载火箭推进剂贮箱结构的主要材料。

LD10合金相近于美国2014合金，是可热处理强化的铝铜镁系合金。

它的特点是强度高，但可焊性较差，焊接热裂纹倾向严重。

使用中发现有存放裂纹问题，至今未圆满解决。

箱体结构选用LD10合金后，在焊接上曾一度出现低压爆破这一难题。

后来，虽经组织攻关，采取大量工艺控制措施，解决了这一难题，但LD10合金的焊接性能未得到根本改善，而仅是得到缓解。

在近30余年运载火箭贮箱的焊接生产过程中，裂纹及类似裂纹的严重缺陷大量存在，严重影响到产品的质量和可靠性。

焊接缺陷的大量产生，导致产品合格率低，返工率高，生产周期长，这不但提高了生产成本，延误了生产进度，还对产品质量和可靠性有着极为不利的影响。

近几年来，由于LD10合金材料可焊性差而对产品质量产生的不利影响越来越明显，特别是在低温贮箱的焊接生产过程中，问题尤为突出。

LD10合金不是低温贮箱的理想结构材料，不宜用于未来大型运载火箭低温贮箱的主体结构上。

3.5 新型低温贮箱的材料方案铝锂合金具有高比强度、高比模量的优点，是替代常规铝铜合金制造低温贮箱的理想材料。

美、俄两国已成功使用铝锂合金制造了大型低温贮箱，说明铝锂合金一切关键技术问题已经解决，能满足贮箱结构的使用要求。

在确定新一代运载火箭低温贮箱的结构材料时，应充分借鉴美、俄两国的先进经验，立足于高性能的铝锂合金材料。

在铝锂合金材料牌号方面，应同时跟踪研究美国的2195和俄罗斯的1460两种合金，结合国内的工业基础、工艺制造水平、贮箱结构特点，进行对比和分析，筛选出适合国情的铝锂合金牌号。

4制造工艺制造工艺技术是实现设计方案的基础。

贮箱的制造过程涉及相当广泛的工艺专业，这些专业包括热处理、表面处理、钣金成形、化学铣切、机械加工、铆接、焊接等，其中成形及焊接工艺是制造贮箱的关键技术。

贮箱是典型的大直径薄壁结构，壁薄、整体刚性差、型面精度要求高，这些均给制造工艺方法的选择和实施增加了难度。

4.1 成形技术贮箱的成型结构件主要有箱底和箱筒段。

贮箱直径增大以后，箱底的制造一般采用分瓣成形、组装焊接的工艺方法。

组成箱底的顶盖和瓜瓣，均为回转体形薄壳结构，可采用的成形技术主要有拉形成形、拉伸成形、旋压成形、超塑成形和爆炸成形等。

叉形环作为箱底的组成部分，起到连接箱底、箱筒段和短壳的作用，其成形主要采用拉弯成形工艺。

箱筒段一般是由多块曲率相同的壁板拼焊而成，每块壁板视其所采用的结构形式来确定选择何种成形技术。

对于网格式壁板，可采用滚弯成形或拉形成形技术；对于蒙皮-桁条式壁板，可采用整体挤压成形工艺。

铝锂合金高强度、高模量的特点，提高了结构效率，减轻了结构重量，但同时也相应增加了成形工艺的难度。

铝锂合金贮箱的成形工艺主要需解决以下问题：a)保证零件实际型面与理论型面相符，无较大变形；b)保证零件成形后的力学性能不会降低；c)成形工艺过程不应对材料的晶粒组织产生不良影响，避免出现粗晶现象。