运载火箭箭体结构制造技术发展与应用

运载火箭箭体结构制造技术发展与应用

姚君山1蔡益飞2李程刚3

上海航天设备制造总厂200245

上海航天技术研究院科研一部200235

上海航天系统工程研究所201100

摘要：本文综述了国内外运载火箭箭体结构材料、制造技术的发展和应用现状，重点阐述了国内外箭体结构成形、网格壁板加工、连接技术的发展现状和最新研究进展，指出了我国在箭体结构高可靠绿色制造技术方面与国外的巨大差距，为我国新一代运载火箭箭体结构制造技术的选用和发展提供了借鉴和指导。

1.前言

运载火箭由增压输送动力系统（含发动机）、箭体结构、有效载荷和遥测控制等系统构成。其中箭体结构承载了所有的载荷和推进剂，主要包括推进剂贮箱、级间段和整流罩等舱段。箭体结构的可靠性直接决定运载火箭的可靠性，而又以推进剂贮箱的制造质量最为关键。

从国内外运载火箭的发展来看，箭体结构材料已从第1代铝镁合金5086、AMГ6（红石、丘辟特），第2代铝铜合金2014、2219（大力神、阿波罗、航天飞机）发展到第3代铝锂合金［1～4］。其发展趋势是结构材料的比强度、比刚度和比断裂韧性越来越大，箭体结构的效率和可靠性越来越高。

箭体结构制造技术的发展经历了“追求合格率”、“追求制造质量和效率”、“追求制造质量、效率和绿色环保”三个阶段。其趋势是由开始阶段手工作坊式的“粗制滥造”，逐渐向“精益制造”和“高可靠绿色制造”方向演进和发展。箭体结构高可靠绿色制造技术的兴起所带来的显着效益是：

1、箭体结构（尤其是推进剂贮箱）的结构可靠性得到阶跃式提高；

2、制造过程显着降低能耗、“三废”排放大幅降低甚至零排放，对人体健康的危害大幅降低或消失；

3、箭体结构实现优质高效的精益制造和“保形”制造。

其中，高速数控铣削+等距压弯净成形、双向拉伸近净成形、整体旋压+后热处理、数控搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊等技术是最具代表性和最有发展前景的箭体结构高可靠绿色制造技术。

2.箭体结构和相关制造技术

如图1所示，箭体结构主要由推进剂贮箱、整流罩、级间舱段、增压管路等组件构成。其中，助推器又分为液体助推器和固体助推器，而以液体助推器的应用最为广泛。本文所提及的推进剂贮箱均指液体推进剂贮箱，所牵涉的制造技术有钣金成形、铣削加工、焊接、铆接、复合材料（含低温贮箱绝热层）施工等。

图1 运载火箭结构构成（Ariane5）

推进剂贮箱是箭体结构中最大的结构部件，作为压力容器用来贮存液氢/液氧或液氧/煤油推进剂，同时作为运载器的主承力结构，起着支撑热防护系统（即绝热防护层）以及为其它系统仪器设备提供安装基础和空间的作用。

由于推进剂贮箱属于铝合金压力容器，抗断裂性能和气密性是其关键性能，主要采用钣金成形、铣削加工和焊接等制造技术生产。整流罩、级间舱段等其它组件大多属于铝合金或“铝合金+复合材料”铆接构件，其功能为有效载荷、仪器设备提供安装空间，主要采用钣金成形、铆接等技术生产。

对于采用低温推进剂（如液氧/煤油、液氧/液氢等推进剂）的运载火箭，其贮箱属于低温推进剂贮箱，除了要求具备优异的低温抗断性能和气密性能外，还必须具备良好的深冷绝热性能，为此还需要进行绝热包敷层施工。绝热包敷层一般由低温缓冲层、绝热层和密封防护层构成，如图2所示。其涉及的制造技术有聚氨酯/或聚氯乙烯发泡工艺、低温缓冲层和防护层施工工艺等。

图2 低温推进剂贮箱深冷绝热结构

3.箭体结构制造技术的发展与应用

推进剂贮箱成形技术

如图3所示，常温推进剂贮箱结构主要由箱底、筒段、γ型材框、前后短壳和输送管路等构成。其结构件的制造均离不开成形技术，如箱底瓜瓣和顶盖成形技术、箱底整体旋压成形技术、γ型材框拉弯成形技术和筒段成形技术等。由于国内外宇航工业发展水平不一，各类成形技术的发展和应用水平也参差不齐。

图3 推进剂贮箱结构外观

箱底成形技术

箱底的制造分为“零件拼接”和“整体旋压成形+热处理”两类。在运载火箭发展初期，由于铝合金材料质量和旋压技术发展水平的限制，贮箱箱底的制造均采用零件拼焊（见图3）。箱底拼焊的零件有瓜瓣、顶盖、γ型材框和法兰等。

法兰主要采用锻件机加工而成。顶盖的成形采用带有压边圈的拉伸成形工艺。退火状态的板材在阳模上拉伸成带一定曲率半径的成形件后再热处理成使用状态。由于顶盖零件形状简单，带压边圈拉伸成形工艺能够完全满足顶盖零件的成形精度要求。γ型材框的制造采用型材拉弯机成形，然后用焊接对接成为框环。型材拉弯机是一种基于计算机控制的液压拉弯机，具有成形精度可控，生产效率高等优点。瓜瓣的成形目前在生产中存在三种弯曲成形工艺：压力机压弯成形、蒙皮拉形单向拉伸成形和压力机双向拉伸成形。上述三种箱底瓜瓣成形工艺中以压力机双向拉伸成形工艺的成形精度最高、回弹量最小。

20世纪70年代初，随着大尺寸、大厚度铝合金板材质量的稳定和旋压技术发展的成熟，箱底整体旋压成形+后热处理技术得到迅速发展和应用，箱底结构的制造工艺大大简化、可靠性显着提高。整体旋压成形的箱底如图4所示。

图4 整体旋压成形的贮箱箱底（DeltaⅣ）

旋压成形是一种冷成形方法，板材在旋压滚轮剪切力碾压作用下，形成对称几何形状，受碾压的材料厚度变薄。箱底成形过程一般经历两个阶段即凸模半成品成形和凹模半成品成形，并辅以适当的机加工和后续的热处理即可完成箱底的成形制造。旋压成形的优点是实现板材等厚度近净成形，成形过程中可控制材料厚度变化，公差小，

可重复加工和加工成本低。其缺点是存在残余弯曲应力，需要通过中间或最终热处理消除。

俄罗斯曾开发出半球形箱底爆炸成形的工艺，并为美国DC-XA航天器贮箱成形了直径的1460铝锂合金半球形顶箱底。爆炸成形的优点是工装简单、成本低、回弹小、无需焊接和对称性好。其缺点是属于特殊工艺，应用难以普及，需要抽真空，成形尺寸受模具尺寸和材料的限制。

应用情况：美国航天飞机外贮箱、欧盟Ariane5火箭贮箱、俄罗斯火箭贮箱和中国长征系列火箭贮箱箱底的瓜瓣零件成形均大量采用了基于水压机的双向拉伸成形工艺。对于直径5m以下的火箭，如美国的Atlas系列和Delta系列、日本的H-2B火箭等，其贮箱箱底均采用“整体旋压成形+热处理”工艺制造。俄罗斯开发的半球形箱底爆炸成形工艺部分用于本国火箭箱底的成形制造。与国外相比，我国在箱底整体旋压成形技术方面的差距较大。

筒段成形技术

贮箱筒段制造工艺分为两类：1）滚弯成形+化学铣削+焊接；2）高速数控铣削+

等距压弯成形+焊接。因此，筒段的成形技术有滚弯成形和等距压弯成形两种。滚弯成形采用三轴辊轧机进行成形，工艺简单，但成形精度较差。等距压弯成形的实质是多次压弯累积成形，具有成形精度高、回弹量小等特点，是一种净成形工艺（图5）。随着航天制造技术向高可靠、高效、绿色、环保方向发展，国外宇航企业大量采用“高速数控铣削+等距压弯成形+搅拌摩擦焊”这一组合制造工艺来实现贮箱筒段的优质、高效、绿色制造。