运载火箭箭体结构制造技术发展与应用

企业大量采用高速数控铣削 ＋ 等距 剂贮箱的结构材料已从第１代铝镁合
压弯成形 ＋ 搅拌摩擦焊这一组合制 金（５０８６ 和 ＡＭГ６），第 ２ 代铝铜合金
造工艺来实现贮箱筒段的优质、高 （２０１４和２２１９）发展到第３代铝锂合金
效、绿色制造。
（１４６０ 和 ２１９５）。其发展趋势是材料
我国长征系列火箭贮箱筒段的制 的强度越来越高、比重越来越轻，而
遥测控制等系统构成。其中箭体结构 保”３ 个阶段。其趋势是由开始阶段
承载了所有的载荷和推进剂，主要包 手工作坊式的“粗制滥造”，逐渐向
括推进剂贮箱、级间段和整流罩等舱 “精益制造”和“高可靠绿色制造”方
段。箭体结构的可靠性直接决定运载 向演进和发展。箭体结构高可靠绿色
火箭的可靠性，其中又以推进剂贮箱 制造技术的的优点为：
造广泛采用滚弯成形 ＋ 化学铣削 其熔焊焊接性呈明显的下降趋势。贮
＋ＴＩＧ 熔焊组合制造工艺，制造精度 箱的焊接工艺，也由最初的钨极氩弧
差、产生“三废”、损害人体健康和污 焊逐渐发展到电子束焊、变极性等离
染环境等问题日益突出，亟需通过制 子弧焊和现在的搅拌摩擦焊。我国运
造技术的升级换代来解决。美国、欧 载火箭推进剂贮箱的结构材料由开始
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、ＡＭ Г ６ （红石火箭、丘辟特 火箭），第 ２ 代铝铜合金 ２０１４、２２１９ （大力神火箭、阿波罗飞船、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。
低温推进剂（如液氧 ／ 煤油、液 氧 ／ 液氢等推进剂）运载火箭的贮箱 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，因 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，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。
分布和结构特点，可分为以下几类： 方法不仅具有广泛的材料适用性，而
·纵缝：筒段纵缝，瓜瓣纵缝和 且其接头强度最高，是贮箱结构理想
γ型材框纵缝；
的焊接工艺。
·环缝： 筒段对接环缝，箱底
（３） 搅拌摩擦焊工艺。
φ１３８０ 环缝，箱底顶盖环缝，圆环 －
搅拌摩擦焊是铝合金焊接技术的
γ型材框环缝，筒段 － γ型材框环 一次重大创新。它是一种基于微区锻
箱）的结构可靠性得到阶跃式提高； （２） 制造过程能耗显著降低“，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
箭体结构制造技术的发展经历了 拌摩擦点焊等技术是最具代表性和最
的制造质量最为关键。
（１） 箭体结构（尤其是推进剂贮
姚君山 工学博士，上海航天设备制造总厂 副总工程师。２００１年１１月获北京航空航 天大学机械制造及自动化专业博士学 位；２００２ 年 １ 月～２００４ 年 ８ 月，在中国 航天科技集团第一研究院从事新一代运 载火箭箭体结构先进焊接技术方面的博 士后研究工作；２００４ 年 ９ 月至今，在中 国航天科技集团第八研究院从事新一代 运载火箭箭体结构研制工作。
箭体结构制造技术的 发展与应用
１ 推进剂贮箱成形技术 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。
了筒段的制造质量和制造精度，而且 代运载火箭贮箱的结构材料。
最大限度地减少了对环境的破坏，值
随着贮箱结构材料的更新换代，
得我国航天制造企业借鉴和学习。 其焊接工艺也获得了长足的发展，但
２ 推进剂贮箱焊接技术
贮箱材料熔焊接头的强度系数呈明显
（１） 贮箱结构焊缝分类。
下降趋势，而搅拌摩擦焊接头的强度
推进剂贮箱的结构焊缝按照空间 系数下降并不明显，说明搅拌摩擦焊
盟、日本和俄罗斯等国火箭贮箱筒段 的 ５Ａ０６ 铝镁合金发展到 ２Ａ１４ 铝合
的制造均采用优质、高效、绿色环保 金、２２１９ 铝铜合金，其中 ２Ａ１４ 铝合
的高速数控铣削 ＋ 等距压弯成形＋ 搅 金作为贮箱结构材料使用至今，而
拌摩擦焊 ／ 熔焊组合工艺，不仅提高 ２２１９ 铝铜合金则被确定为我国新一
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）以及为其他系统仪 器设备提供安装基础和空间的作用。
推进剂贮箱是铝合金压力容器， 抗断裂性能和气密性是其关键性能， 通常采用钣金成形、铣削加工和焊接 等制造技术生产。整流罩、级间舱段 等其他组件大多是铝合金或铝合金＋ 复合材料铆接构件，为有效载荷、仪 器设备提供安装空间，通常采用钣金 成形、铆接等技术生产。
搅拌摩擦焊是一种机床焊接工 艺，易与数控机床技术集成，能够实 现铝合金构件复杂曲线焊缝（箱底焊 缝、筒段环焊缝等）的优质高效焊接。 因此，从工艺特性来看，数控搅拌摩 擦焊非常适于推进剂贮箱纵缝和箱底 复杂焊缝的高可靠、近无缺陷焊接。
目前搅拌摩擦焊技术已广泛应用 于美国Ｄｅｌｔａ系列、Ａｔｌａｓ系列火箭贮 箱、航天飞机外贮箱纵缝的高质量焊 接。在日本，三菱重工已经开发出成 熟的基于双轴肩搅拌头的数控搅拌摩 擦焊工艺，并将其应用于新型运载火 箭 Ｈ － ２ Ｂ 贮箱的筒段纵缝和对接环 缝的高可靠、高效、无缺陷焊接。
运载火箭由增压输送动力系统 “追求合格率”、“追求制造质量和效 有发展前景的箭体结构高可靠绿色制
（含发动机）、箭体结构、有效载荷和 率”、“追求制造质量、效率和绿色环 造技术。
3 6 航空制造技术 ２ ０ ０ ７ 年第１ ０ 期
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箭体结构和相关制造技术
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。助推器分为液体助推器和固体助 推器两类，液体助推器应用最为广 泛，所以本文提及的推进剂贮箱均指 用于液体助推器的液体推进剂贮箱， 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）工艺等。
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运载火箭箭体结构制造 技术发展与应用
上海航天设备制造总厂 上海航天技术研究院科研一部 上海航天系统工程研究所
姚君山 蔡益飞 李程刚
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”３ 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。
２ ０ ０ ７ 年第１ ０ 期 航空制造技术 3 7
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整体旋压成形的贮箱箱底
ＤｅｌｔａＩＶ火箭推进剂贮箱
高、回弹量小等特点，是一种净成形
（２） 贮箱结构材料及其焊接工艺
工艺。随着航天制造技术向高可靠、 的发展。
高效、绿色环保方向发展，国外宇航
自运载火箭诞生以来，国外推进
在国内，随着新一代运载火箭的 正式立项研制，搅拌摩擦焊作为推进 剂贮箱的一项关键制造工艺，正在深 入进行工程化应用研究，搅拌头、焊 接装备和工装夹具等关键技术均获得 突破，目前正在进行接头质量分级评 定标准的制定工作，不久将建立起我 国航天工业自己的搅拌摩擦焊技术体 系。
（４） 变极性等离子焊接工艺。 铝合金变极性等离子穿孔立焊技 术集成了变极性电源和等离子弧穿孔 效应两项技术特性，既满足交流焊铝 所需的阴极清理作用，又能将钨极的 烧损降到最低。变极性等离子穿孔立 焊得益于穿孔焊接和等离子弧能量集 中、一次穿透焊接等特点，尤其适于 中厚度（３～１６ｍｍ）铝合金焊缝的优质 高效自动焊接。２０ 世纪 ８０ 年代，变
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极性等离子穿孔立焊工艺曾被美国 ＮＡＳＡ 誉为铝合金“无缺陷”焊接工 艺。由于在工艺上采用向上立焊的焊 接方式，所以焊缝熔池金属的结晶不 同于其他熔焊方法。小孔周围的液体 金属在电弧力、表面张力、重力和浮 力等多种力的共同作用下保持平衡， 形成一定形状和尺寸的熔池。熔化金 属被排挤在小孔周围，随着焊接的进 行，熔化金属沿电弧周围熔池壁向下、 向背面流动结晶成形。由于强烈的穿 孔冲刷效应和复杂的熔池金属流动行 为，有效消除了气孔和固体杂质。
缝，法兰环缝，前 ／ 后短壳 － γ型材 造的绿色固态焊接工艺，尤其适于高
锁底环焊缝；
强、熔焊难于焊接铝合金的焊接。试
·其他焊缝：点焊缝，角焊缝等。 验研究表明，各类铝合金搅拌擦焊接
本文重点讨论推进剂贮箱纵缝 头的质量和综合力学性能均大大优于
（γ型材框纵缝除外）和环缝（法兰焊缝 其 ＴＩＧ 焊接接头。
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。其缺点是因该工艺属 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。
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 还较大。
（２） 筒段成形技术。 贮箱筒段制造工艺分为滚弯成形 和等距压弯成形两类，即滚弯成形 ＋
５１．３７ｍ
支架
固体 助推器
整流罩 发射载荷
上面级 液氧贮箱
低温芯级 液氢贮箱
芯级发动机
Ａｒｉａｎｅ５箭体结构
化学铣削 ＋ 焊接和高速数控铣削＋ 等 距压弯成形 ＋ 焊接。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
（１） 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。箱底拼焊的零 件有瓜瓣、顶盖、γ型材框和法兰等。 法兰通常用锻件机加工而成，顶 盖的成形采用带有压边圈的拉伸成形 工艺。退货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。瓜瓣可采用３ 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３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， 可靠性显著提高。 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，在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成 形，成形过程中可控制材料厚度变 化，公差小，可重复加工，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工序消除。 俄罗斯曾开发出半球形箱底爆炸 成形工艺，并为美国 ＤＣ－ＸＡ 航天器 贮箱成形了直径 ２．４ｍ 的 １４６０ 铝锂合
除外）焊接技术的发展和应用现状。
搅拌摩wenku.baidu.com焊技术的核心是搅拌头
的设计制造和结构选材。搅拌头按照 工装支撑方式分为单轴肩搅拌头和双 轴肩搅拌头。单轴肩搅拌头是最常见 的搅拌头，焊接时需要背部的刚性垫 板支撑。双轴肩搅拌头是为解决背部 无法刚性支撑的焊缝进行搅拌摩擦焊 而开发出来的。双轴肩搅拌头具有上 下两个轴肩，焊接中起到相互支撑的 作用，可以实现贮箱环缝的悬空搅拌 摩擦焊，完全消除了单轴肩搅拌摩擦 焊可能产生的背部未焊透等缺陷。