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铝材在运载火箭上的应用

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2021年04月29日 09:34:18
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铝材已成为运载火箭中极为重要的关键材料,因为铝合金有低的密度与极佳的无与伦比的低温性能,发射火箭的液氢液氧燃料贮箱是用铝合金制的,舱段主结构件用的材料也是铝合金。现在运载火箭结构材料已进入第四代,即含少量Li的2系、5系合金时代,主要合金为2195、2196、2098、2198、2050。中国在发展航空航天Al-Li铝合金方面与国外相比还有较大差距,但可于2025年前后全面赶上或超过他们,成为世界领跑者。

  由于铝合金的密度小(≤2.8g/cm3)、比强度与比刚度大、抗腐蚀、抗疲劳、韧性好、加工成型性能优秀、是资源丰富、价格适中、对人体与环境无害、循环性能最优的工业金属,因此在国民经济各部门获得了广泛应用,已成为第二大金属,2020年,全世界原铝与再生铝产量约95000kt,是一类从日用品到航空航天各领域不可或缺的材料。在当今运载火箭结构材料中,铝材、铝基复合材料是用量最大的一类材料。据作者估计,在运载火箭结构与零部件中,铝及铝合金的净质量占结构总净质的85%以上。

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  贮箱结构

  结构用材与箭体结构设计、制造加工工艺、材料制备工艺、经济性等一系列问题休戚相关,是决定火箭起飞质量和有效载荷能力的关键。按材料体系的发展历程,可将火箭燃料贮箱材料的发展历程分为四代。第一代为5系铝合金,即Al-Mg系合金,代表合金为5A06、5A03合金,从上世纪50年代末用于制造P-2火箭燃料贮箱结构开始,至今仍在采用,5A06合金含5.8% Mg~6.8% Mg,5A03是一个Al-Mg-Mn-Si合金。第二代为Al-Cu系2系合金,中国长征系列运载火箭贮箱就是用2A14合金制造的,是一种Al-Cu-Mg-Mn-Si合金;从20世纪70年代到现在,中国开始用2219合金制造贮箱,这是一个Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti合金,广泛用于制造各种运载火箭贮箱,同时武器发射低温燃料贮箱结构上也得广泛应用,是一种低温性能与综合性能俱佳的合金;第三代为Al-Li合金,即含Li量≤3.0%的2系合金和5系合金,前者为美国、英国、德国、日本等采用,而后者是俄罗斯研发的,20世纪80年代国外就开始使用,早已进入工业化制备与工程化应用阶段,而中国目前仅在航空工业有规模不大的应用,运载火箭贮箱结构尚未见应用实例报道。

  长征五号运载火箭

  2016年11月3日,中国成功发射长征五号运载火箭,绰号“胖五”。它的直径比中国现役火箭大50%,芯级直径5m,助推器直径3.35m,而中国现役火箭芯级直径为3.35m,助推器直径为2.25m。除了“腰围”大,它的“身高”约57m,相当于20层楼高,仅次于长征二号F运载火箭,因而可容纳更多的推进剂(燃料)。芯级发动机采用液氢(-253℃)液氧(-183℃),助推器燃料为液氧煤油组合。也就是说,长征五号内部的温度远低于冰点的超低温,所以又把它称为“冰箭”。在长征五号重达800多t的身体里,90%是液氢与液氧。点火后,发动机喷出的烈焰温度却高达3000多℃,此时它内外“冰火两重天”的极端状态,是对中国航天技术和所用材料的极大考验。

  长征五号的研制历时10a,足见其难度之大,在研制中,突破了247项关键技术,其中最为重大的关键技术有12项,新技术比例几乎达到100%,核心技术全部是自创的,实现了长征火箭的跨越式升级换代。长征五号火箭有12颗“大心脏”即发动机,提供10564.4kN的总推力。8台液氧煤油发动机为4组,组成助推动力,共有起飞动力9408kN;2台490kN氢氧发动机担负组成芯一级动力,起飞动力980kN;两台88.2kN膨胀循环氢氧发动机组成芯二级动力。长征五号系列运载火箭低轨道运载能力可达25t级,高轨道运载能力可达14t级,跨过了国际上大型运载火箭近地轨道运载能力20t、高轨道运载能力10t的“门槛”,可与美国宇宙神5、德尔塔4,欧洲阿里安5等世界主力大型火箭并肩齐跑。

  中国运载火箭产业虽然取得了举世瞩目的成就,但与世界航天强国相比,还存在一些差距。运载火箭型谱需要不断完善,火箭发动机、大直径箭体结构等关键技术基础需要不断夯实,降低成本、提高竞争力的研制新模式有待建立与加强。

  长征八号“一箭五星”首飞成功

  2020年12月22日12时37分,中国自主研制的新型中型运载火箭长征八号首飞试验圆满成功。长征八号运箭火箭充分继承了长征五号、长征七号运载火箭技术成果、填补了中国太阳同步轨道3t~4.5t运载能力空白,对加速推进运载火箭升级换代具有重要意义。

  长征八号运载火箭全长约50m,采用了模块化组装理念,未来长征八号火箭的发射周期将缩短至10d,同时将采用垂直起降技术,从而使它们能够进行不止一次发射,估计这种可于2025年前后完成研制,中国计划2022年前后建成多舱段、有人居住的空间站,2045年实现每年总飞行次数达到千次量级、总货运达万吨级、总客运达万人数。

  运载火箭天津制 大锻环西南铝造

  中国运载火箭制造基地位于天津经济技术开发区,由火箭研制生产区、航天技术应用产业区和辅助配套区组成,集火箭零部件生产、部组件装配、总装测试与试验于一体。

  火箭推进剂贮箱是由一节节的长2m级~5m级的圆筒连接而成。贮箱是铝合金制的,因此需用铝合金锻环把它们连接和加固起来。另外运载火箭、空间站等航天器的连接器、过渡环、转接框等部位也要用连接锻环,因此锻环是一类很关键的连接件和结构件。西南铝业(集团)有限责任公司和东北轻合金有限责任公司、西北铝业有限责任公司在锻环的研发和制造加工方面都做了不少工作。

  2007年,西南铝攻克了大铸绽铸造、锻造开坯、环件轧制、冷变形等技术难关,研制出直径5m铝合金锻环,独创的核心锻造技术填补了国内空白,成功应用于长征五号新一代运载火箭。2015年,西南铝研发首件直径9m超大型铝合金整体锻环,创世界纪录。2016年,西南铝成功攻克轧制成型、热处理等多项关键核心技术,研制出直径10m的超大规格铝合金锻环,再次刷新世界纪录,为中国重型运载火箭研制解决了重大关键技术难题。2020年12月该锻环首获工信部制造业单项冠军产品荣誉称号。

  运载火箭贮箱及舱段结构材料的发展与铝-锂合金

  贮箱铝合金

  运载火箭贮箱结构材料国外已于上世纪80年代中期起进入第三代,即铝-锂合金时代。新世纪以来已大规模采用含少量锂的2系Al-Li合金,俄罗斯则采用含少量锂的Al-Mg合金,而按中国运载火箭技术研究院林奔等的资料,即使当前中国也仅在航空领域有所应用,贮箱结构还没有应用实例。含少量Li的铝-镁系及铝-铜系合金具有更大的减重效果,与不含Li的合金相比,减重效果可达10%~30%。

  可喜的是,中国有些企业和研究单位如西南铝业(集团)有限责任公司、郑州轻金属研究院等,通过多年的连续艰苦奋战,突破了合金成分精准控制,大规格铸锭铸造与均匀化处理、全程显微组织精细调控、大规格板材形变热处理等关键技术瓶颈,实现了大规格Al-Li合金均匀化处理,强度、韧性、低温性能、可焊性能等协同提高,达到了产业化制备目标,但与国外先进国家产品相比,在产品性能稳定性与一致性、生产成本等方面仍有一些差距,预计到2025年才能全面赶上或超过国外高档产品的各项指标。

  美国重型运载火箭贮箱先后选用了2014、2219、2195、2198等铝合金,同时美国在选择高性能Al-Li合金的过程中由片面追求性能最佳已转向综合考虑成本因素。目前美国正在积极研制性能更好、成本更低的以2050合金为代表的新一代Al-Li合金。

  舱段结构铝合金

  中国自上世纪60年代运载火箭研制开始直至目前,运载火箭舱段结构铝合金都以2A12和7A09为代表的第一代、第二代合金为主,而国外已进入第四代舱段结构铝合金7055、7085合金,它们有高的强度性能,低的淬火敏感性和缺口敏感性而得到广泛应用。7055是一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金,7085也是一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金,不过它的杂质Fe、Si含量很低,同时Zn的含量高,为7.0%~8.0%。以2A97、1460等为代表的第三代Al-Li合金,以其高强度、高模量、高伸长率已在国外航天产业得到应用。

  颗粒增强铝基复合材料有高模量、高强度等优点,可用其取代7A09合金制造半硬壳舱段桁条。中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学等在颗粒增强铝基复合材料研究与制备方面做了许多工作,成就显著。

  国外的航空航天Al-Li合金

  在国外航空航天器上获得最成功应用的当数肯联铝业公司伊苏瓦尔轧制厂与魁北克研发中心历时8载研发的Weldalite Al-Li合金家族,包括2195、2196、2098、2198、2050合金:2195合金:Al-4.0Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,是第一个获得成功商业化应用的Al-Li合金,用于制造火箭发射低温燃料贮箱;2196合金:Al-2.8Cu-1.6Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,低密度、高强度、高断裂韧性,原是为哈布尔(Hubble)太阳能板边框型材发展的,现在多用于挤压飞机型材;2098合金:Al-3.5 Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,原是为制造HSCT机身研发的,因其疲劳强度高,现用于F16战斗机机身和航天器法尔康(Falcon)的发射燃料贮箱;2198合金:Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,用于轧制商业飞机薄板;2050合金:Al-3.5Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.4Mn-0.1Zr,用于生产厚板,以取代7050-T7451合金厚板,用于制造商用飞机结构/发射火箭构件。与2195合金相比,2050合金的Cu+Mn含量比较低,以降低淬火敏感性与保持厚板有高的力学性能,比强度高4%,比模量高9%,断裂韧性上升了,有高的应力腐蚀开裂抗力与高的疲劳裂纹扩展抗力,另外还有高的高温稳定性。


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