我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱诞生

仙仙

近日，我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在中国航天科技集团诞生，经各环节试验检测合格且性能良好，初步具备工程应用条件，标志着我国已打通国际一流贮箱研制链路，运载火箭研制水平实现新跨越。


据悉，该贮箱采用了第三代高性能铝锂合金，与当前国际主流铝铜合金贮箱相比，强度提升30%左右，同等条件下结构减重15%以上。


铝锂合金贮箱技术国际领先


在我国航天领域有这样一句话：“运载火箭的能力有多大，中国航天的舞台就有多大”，但贮箱研制人员还会加半句：“贮箱有多大，运载火箭就有多大。”


“这个‘大’是广义概念，不仅指贮箱的直径，还泛指贮箱的强度、刚度和结构效率。”航天科技集团一院3.35米直径铝锂合金火箭贮箱研制人员、总体设计部火箭贮箱设计师胡正根说，“我国运载火箭贮箱已形成7种直径、三代材料组成的10余种类型。”


据悉，按照直径划分，贮箱有1米级、2.25米级、3米级、3.35米级、5米级、7.5米级和9.5米级运载火箭贮箱；按照材料划分，有第一代铝镁合金贮箱、第二代铝铜合金贮箱和第三代铝锂合金贮箱。在火箭设计过程中，设计师会将不同直径、不同材料灵活组合，研制出尺寸、材料、成本等不同的多种贮箱，满足不同运载任务的需求。


第三代铝锂合金贮箱的问世，是我国运载火箭结构效率和运载能力进一步提升的重要标志。胡正根说，在贮箱结构上大面积使用铝锂合金，可使其结构效率和运载能力大幅提升，代表了运载火箭贮箱的发展方向。


从2018年起，我国铝锂合金火箭贮箱研制全面启动，航天科技集团一院以相关型号任务和课题研究为牵引，投入第三代铝锂合金贮箱研制全流程技术攻关。


八大关键技术一一突破


相对于传统铝铜合金，铝锂合金强度和刚度显著提升，密度却下降了3%~5%，是当前国际航天大国争相开拓的领域。


优异的性能往往需要顶级的制造技术。贮箱占箭体结构重量和空间50%以上，其内部加注的燃料占火箭总重90%以上。可以说，加注后的火箭能否稳定起飞，贮箱性能稳定性是核心要素之一。


铝锂合金恰好符合火箭贮箱的各种性能要求。胡正根介绍，锂是元素周期表中最轻的金属元素，在铝中每加入1%的锂，密度降低3%，弹性模量反而提升6%，这对运力按克重计算价格的火箭来说弥足珍贵。


但铝锂合金材料各向异性强、屈强比高、锂原子活泼，给结构设计、焊接等都带来巨大挑战，哪个环节稍有不慎就会前功尽弃。为此，航天科技集团一院总体设计部集合当前国内尖端力量，与211厂天津火箭公司、703所、中南大学、西南铝业（集团）有限责任公司、江苏豪然喷射成形合金有限公司等强强联合，从原材料成分优化、结构设计、装配焊接等方面入手，开展全流程全要素研发。


2018年至今，项目团队突破了成分优化控制、轻质化设计、整体旋压、搅拌摩擦焊等八大关键技术，一鼓作气打通了铝锂合金贮箱的研制链路，实现了我国首个3.35米直径铝锂合金贮箱高精度高性能设计制造。


整体旋压和整体环轧技术的突破，大幅度减少了贮箱焊缝，保证了产品可靠性，同时缩减了生产工序，提高了生产效率。


火箭运载能力将显著提升


运载能力是衡量火箭价值的核心指标之一，一枚火箭运载的卫星等有效载荷越重，它的运载能力、价值越大。火箭自重越轻，能给予卫星等有效载荷的重量就越多，而贮箱结构重量占箭体结构总重的50%以上，是降低结构重量、提高火箭运载能力的关键。


那么，一枚火箭上有十几个贮箱，全换成铝锂合金贮箱，是不是能实现运载能力和价值最大化？


“与火箭的运载能力相比，发射成本也是需要关注的因素。铝锂合金材料成本远高于铝镁合金和铝铜合金。”胡正根说，“以吨为单位，铝镁合金的价格在6万元左右，铝铜合金的价格在10万元左右，而现在铝锂合金的价格则高达30~100万元。”


好钢要用在刀刃上。胡正根说，火箭飞行高度不同，所需的挣脱地球引力的力气也不同，起飞阶段需要的力气最大，进入太空后需要的力气最小。经过专家测算，给火箭末级减重1公斤，就相当于火箭运载能力增加1公斤。因此，将铝锂合金贮箱应用在火箭末级的效益最高，可实现运载能力的显著提升。


航天科技集团一院总体设计部结构室主任刘观日介绍，我国3.35米铝锂合金贮箱将主要应用在新一代运载火箭末级，提升火箭结构效率和运载能力，大幅增强我国深空探测能力和水平，同时为更大直径的重型火箭和新一代载人火箭研制奠定基础。