运载火箭贮箱箱底制造工艺及装配

运载火箭贮箱箱底制造工艺

范霁康北京航空航天大学北京 100191

摘要：运载火箭贮箱是火箭系统上最重要的一个部分，它用来盛装高压液体推进剂，所以在制造过程中对于贮箱的焊接、装配等工艺过程要求很高。而贮箱的箱底是贮箱的一个重要的组成部分，对于箱底与贮箱中部环形部分的链接和在火箭系统上的装配问题一直存在技术难题。简单介绍了贮箱的分类与设计要求等基本内容，也系统全面的分析了贮箱箱底的焊接方法和装配问题。

关键词：焊接，推进剂贮箱，材料加工，运载火箭

Manufacturing Process of the Tank Bottom for Launch Vehicle

Fanjikang

(Beijinguniversity of Aeronautics and Astronautics, Beijing,100076) Abstract：the tank is one important part for the launch vehicle. It’s used to load the high pressure liquid propellant. So in the manufacturing process, the craft of welding and assembling are highly requested. While the bottom is also one essential part, there are some technical problems in the link between the bottom and the middle and the assembling of the tank. This article simply introduces the classification of the tank and the request for thedesign and also analyses the problem of welding and assembling.

Key word：welding, propellant tank, material processing, launch vehicle.

一、贮箱的分类与设计要求

1、贮箱的分类

随着液体火箭发动机推进剂供应系统的不断发展，贮箱的种类不断增加，分类方法也各不相同，常见的分类情况如下：

（1）、按照推进剂输送系统的不同，可分为挤压式贮箱和泵压式贮箱。挤压式输送系统贮箱中的燃料是靠高压气体挤入发动机燃烧室的。这种输送系统中的贮箱由于要承受较高的

压力，又称为高压贮箱，如图1所示。

1 高压气瓶

2 减压器

3 贮箱

4 薄膜

5 发动机推力室

图1 挤压式输送系统

对泵压式输送系统，发动机燃烧室对燃料入口压力的要求是利用泵增压（涡轮泵、齿轮泵）来达到的。与挤压式贮箱相比，这种贮箱又称为低压式贮箱如图2所示。

（2）、按照贮箱是否参加导弹弹体的总体受力，可分为受力式贮箱和非受力式贮箱

① 受力式贮箱

它的特点是贮箱除充当燃料容器外，贮箱壁还参加导弹弹体的总体受力，图8.1.2和图8.1.3都是受力式贮箱。由于这种贮箱兼作弹体，箱体材料的利用率高，弹体的空间利用率也高。

1 前对接框

2 增压导管

3 取液器

4 燃烧剂箱

5 加注口、出气口

6 化剂箱 7后对接框 8 后箱底 9 限制环 10 中间框 11 中间底 12 出液口 13 前箱底 14 前堵盖

图8.1.2 受力式贮箱

② 非受力式贮箱悬挂式贮箱为非受力式贮箱，它仅仅是一个燃料容器，安装在弹体内部，不参加弹体总体受力，如图3。

这种结构形式的优点是对低温燃料隔热方便；贮箱本身可避免承受其他部件传来的集中力，箱体结构简单。它的主要缺点是材料利用不充分，结构重量较大；空间利用率低。

1 锥形环

2 肋板

3 导管

4 型材

5 条带

6 前底

7 箱壁

8 过载小箱

9 型材10 导管 11 隔板 12 型材 13 角材 14 型材 15 型材 16 后底 17 导管 18 导管19 导管 20 重力活门 21 引射器 22 吸液嘴 23托板 24 导管 25 隔框 26 绑带27 箱体 28 隔框 29 垫块 30 弹身壳体 31 径向螺栓 32 箱体 33 隔板

图3 悬挂式贮箱

（3）、按贮箱内的增压气体与燃料是否直接接触，可分为直接增压式贮箱和间接增压式贮箱

① 直接增压式

贮箱内燃料与增压气体直接接触。前面所述各种形式的贮箱都属于直接增压式。直接增压式的缺点是增压气体与燃料直接接触，燃料中容易夹杂气泡；低压式贮箱在导弹作机动飞行时可能由于燃料的晃动而不能正常供应燃料。为解决这两个问题，常需采用供液装置，常用的供液装置有过载小箱加引射器的供液装置，旋转取液式供液装置。

② 间接增压式

贮箱内燃料与增压气体隔离，气体对燃料间接进行增压。这种方式可避免燃料中夹杂气泡，能提高输送液燃料的可靠性。下面介绍几种间接增压的供液装置

（a）、图7所示为弹性袋式供液装置。弹性袋（材料为L4M）将贮箱内的燃料与气体隔开，输送燃料时，将具有一定压力的气体通过进气口充入弹性袋，由弹性袋将燃料挤出出液管。

1 加液管

2 梗

3 后箱底

4 工艺口、

泄液口 5 前箱底 6 弹（） 7

支臂8 进气口 9 气密垫、法兰盘 10

螺盖 11 座圈 12 通气嘴 13 特殊垫

圈（）14 垫圈（） 15 木

环 16环圈 17 出气口弯管 18 接管

座 19出液管及膜片组

图7 弹性袋式供液方式

（b）、图8所示为金属薄膜式供液装置。金属薄膜将增压气体与燃料隔开，其供液原理与上述类似。

（c）、橡皮囊式供液装置。燃料贮存在橡皮囊中，输送燃料靠贮箱内具有一定压力的气体挤压橡皮囊（丁腈橡胶与卡布隆布制成），而将燃料挤出。

（d）、可移动活塞式供液装置，增压气体推动活塞，使燃料从贮箱内被挤出。

1 球形贮箱壳

2 同心圆的折褶式金属薄

膜 3 氧化剂室 4 燃烧剂室

图8 金属薄膜式供液装置

2、贮箱的设计要求

贮箱是弹体的一个舱段，参与形成弹体外形。它在弹身上如何安排对导弹质心的定位和变化，结构布局，与相邻舱段的协调，弹上设备的布置及导弹总体性能等都会产生明显的影响。因此，除弹体结构设计的一般要求外，贮箱还应满足如下特殊要求：

（1）、有足够的容积，以贮存足够数量的推

进剂；

（2）、材料和结构型式应满足推进剂和增压

气体的物理化学性能要求，对于有腐蚀性的

推进剂尤为重要；

（3）、贮箱的布局应合理。贮箱的布局要考

虑在给定的几何空间内具有最大的贮存容积、最大的可靠性（包括两种燃料混合的可能性最小），管路安装容易，燃料的剩余量最小等；

（4）、结构质量要小，在弹体结构质量中，贮箱质量占据的比例相当高，多级导弹更是如此，所以结构质量轻质化设计要求应是设计中主要考虑的方面之一；

（5）、应具有防晃、防漩、防塌及对增压气流消能等能力，保证贮箱工作中燃料液面稳定和增压压力稳定。并且充灌、排泄燃料迅速、方便、安全；

（6）、对低温贮箱，所选的结构应有可靠的绝热系统，使推进剂处于额定工作温度，以维持发动机的性能稳定。

二、贮箱的布局

研究贮箱的几何形式和相互放置的位置，以确定贮箱的布局。贮箱的基本布局方案见图9。液体火箭的燃料贮箱通常是分别放置的圆柱形箱体（一个贮箱接另一个贮箱）。从火箭的整体布局、对接段和制造的工艺性考虑，这种形式的贮箱相对来说具有较多的优点。

图9是燃料箱和氧化剂箱分别放置的承力贮箱结构。这种贮箱在制造中最简单。从强度角度来看贮箱有椭球形底，两个箱子之间留有一定的空间，通常这个空间用来放置仪器和其他装

置。

为了减小火箭的长度和重量，经常采用带有共底的承力贮箱。也就是说，用一个共有的底将贮箱分为

两部分：氧化剂箱的和燃烧剂箱（图9-a ）。为了避免燃料混合在一起，必须保证共底部分

焊缝的密封性，所以这种贮箱制

造起来要复杂一些。

除了圆柱形贮箱外，有时还采用

球形贮箱。图9-c 示出了不承力燃

料贮箱，它是由两个单独的球形

贮箱组成的。这种球形贮箱适用

于低沸点燃料，因为与圆柱形贮箱有相同容量的球形贮箱具有小的表面积，因此它的绝热量也将小一些。此外，在同一工作压力下，球形贮箱的质量要比圆柱形的小一些。与上面几种贮箱相比，从降低火箭质量的角度出发，可以采用

球形共底贮箱（图9-d ）。带有球形贮箱的燃料舱适

用于在飞行过程中可以抛弃贮箱热防护层的大型运

载火箭。

在火箭组成的最后一级可以采用带有共底的环形贮

箱（图9-e ）。采用这种燃料贮箱，虽然相对于圆柱形和球形贮箱会使火箭的质量有一定的增加，但可以获得最紧密的火箭结构，还可以降低火箭的外形尺寸。

三、箱底的结构方案与成型

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 (见下图)。

贮箱结构厚度见表 1, 前箱壳段化铣网格尺寸大, 减薄区壁薄, 仅为 1. 5±0. 1m m,焊接区为 3. 8±0. 1mm, 后箱壳段虽然减薄区和焊接区相应加厚, 但化铣网格尺寸更大,壳段刚性弱, 环缝焊接极易产生变形, 从而导致贮箱环缝局部失稳, 不能满足使用要求; 贮箱结构材料为焊接性较差的 LD10CS 可热处理强化高强度铝合金, 在低温状态下使用时,易产生低应力脆断, 缺陷的敏感性高, 因此对焊缝内部气孔、夹渣等缺陷的尺寸、数量和间距的要求都比常温贮箱严格, 焊漏过渡要求圆滑, 无应力集中点。该贮箱接头致密性要求很高, 前箱单孔漏率不大于 6. 7×10- 9P am3 / s,后箱不大于6. 7×10- 8Pam3/ s; 前箱总漏率不大于6. 7×10- 7Pam3/ s, 同时, 贮箱有较高的圆度及母线直线度要求。由此可知, 该贮箱对焊接质量要求非常高。为了满足使用要求, 必须严格控制焊接变形量, 大大减少接头内部缺陷, 同时应尽可能在一次焊接过程中达到设计要求,避免补焊, 否则因结构刚性问题, 补焊将加剧箱体变形

表1

四、底座的装配工艺

初期研制的低温贮箱工装是仿制比较成熟的小直径低温贮箱环缝装配、焊接工装。贮箱壳段环缝对接处, 外部采用链式卡带箍紧, 内部用无心气囊涨圈撑圆。但是, 由于壳段直径的加大, 刚性和圆度都很差, 气囊涨圈撑紧力明显不足, 对接环缝装配难度很大, 焊前常有错位现象, 焊接过程中内撑力不能够有效限制近缝区的变形, 使得焊缝错缝较大, 缺陷很多。为此, 研制了轴式气动涨圈, 见图 10。

该涨圈组装好后装到贮箱总装型架尾座的

中心轴上, 可随中心轴移动, 以中心轴为

支撑充压撑紧, 焊接后可分体拆卸。这种轴

式气动涨圈大大提高了涨圈的撑紧力,一定

程度上减少了焊前装配错位, 解决了内撑

力不足问题。但是, 焊接后底与壳段对接环

缝时,由于后孔法兰盘位置不在底的正中心, 尾座中心轴无法进入箱体内,研制出的以尾座中心轴为支撑的轴式气动涨圈不能使用, 经过摸索, 又试制出偏心轴式气动涨圈。此涨圈结构新颖, 与前述轴式气动涨圈具有同样的效果。涨圈撑紧力提高后, 链式卡带箍紧力又显不足。为增加箍紧力, 设计、生产了阶梯式卡带, 初期卡带到位后, 因材料热处理等问题, 卡带强度不够, 无法使用。为提高箍紧效果, 在原有的链式卡带下面增加厚1.5～3.0mm 、宽40mm 的不锈钢垫板, 对提高卡带焊接区附近的刚性, 减少对接环缝向外翘起有一定的效果, 但仍不令人满意。通过采取措施, 生产出了合格的大规格阶梯式卡带, 这种卡带与轴式气动涨圈配合使用, 大大减少了焊前装配时的错位量, 缓解了错位带来的危害。环缝装配时, 对合间隙不均匀对焊接质量的影响也较大。贮箱环缝对接时, 对合间隙有时局部达 6～7mm, 经分析, 产生的原因主要有以下几方面:

a. 内化铣壳段端面车加工时, 为满足壁板化铣网格的位置, 只调整壳段的偏摆, 不调整壳段的圆度, 壳段车边状态与组装状态不同

;

b. 支撑涨圈的中心轴在 1 吨重的涨圈作用下, 有一定的下沉量, 影响壳段的同轴性;

c. 贮箱箱体长、直径大、刚性弱, 组装时箱体下垂。

考虑到内化铣壳段车边加工时偏摆、圆度只能侧重一项, 工艺上要尽量保证壳段加工时的圆度, 为减少中心轴下沉量, 设计、制造了中心轴衬套, 解决了轴式气动涨圈装在中心轴时中心轴产生挠变下垂问题, 见图11;针对箱体长、直径大、刚性弱的特点, 采用了轴式气动涨圈, 加大了内撑力, 在贮箱装焊到较长尺寸时, 增加下支撑部位, 减少下垂。除在工装上采取措施外, 在装配工艺上也采取了一定的措施。两壳段装配对合时, 先预留一定的对合间隙, 然后对涨圈充压, 使壳段周长充至未上卡带时的数值, 并可略有增加, 然后降低压力, 调

整涨圈位置, 再充至焊接工作压力, 并调整对合间隙到 0～2mm 。为进一步减少装配、焊接时壳段的变形量, 对型架上的壳段支撑环也进行了返修, 解决了支撑块短、内撑力不均匀造成壳段变形的问题, 见图12。

通过采取以上措施, 完善了工装和装配工艺, 基本解决了装配错位和对合间隙不均匀的问题, 保证了内外夹紧力的部位和大小协调问题, 大大减少了正常焊接后的变形量, 避免了

对接环缝向外翘起、焊漏过渡急剧的问题。

五、贮箱制造技术发展趋势

面对发射市场对大型运载器的需求，大型贮箱制造技术越来越被关注，随着基础技术、信息技术、集成技术的发展，制造技术也向可控化、柔性化、集成化方向发展。贮箱制造过程涉及成型、焊接、热处理、表面处理、化铣、机械加工、铆接、装配、检测等多种技术领

域，而这中间成型和焊接工艺是制造贮箱的关键技术。

搅拌摩擦焊、等离子焊、电子束焊等将越来越广泛地应用于贮箱焊接装配中，自动化焊接装配等新型工艺也将日趋成为制造的主力军。成型、机械加工、表面工程等工艺技术的综合应用，可以提高生产效率与产品质量和可靠性。

参考文献

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