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鋁材在運載火箭上的應用

來源:[原創]  作者:[admin]  日期:[2021-04-27 08:38:09]

 鋁材已成為運載火箭中極為重要的關鍵材料,因為鋁合金有低的密度與極佳的無與倫比的低溫性能,發射火箭的液氫液氧燃料貯箱是用鋁合金制的,艙段主結構件用的材料也是鋁合金。現在運載火箭結構材料已進入第四代,即含少量Li的2系、5系合金時代,主要合金為2195、2196、2098、2198、2050。中國在發展航空航天Al-Li鋁合金方面與國外相比還有較大差距,但可于2025年前后全面趕上或超過他們,成為世界領跑者。

  由于鋁合金的密度小(≤2.8g/cm3)、比強度與比剛度大、抗腐蝕、抗疲勞、韌性好、加工成型性能、是資源豐富、價格適中、對人體與環境無害、循環性能的工業金屬,因此在國民經濟各部門獲得了廣泛應用,已成為第二大金屬,2020年,全世界原鋁與再生鋁產量約95000kt,是一類從日用品到航空航天各領域不可或缺的材料。在當今運載火箭結構材料中,鋁材、鋁基復合材料是用量的一類材料。據作者估計,在運載火箭結構與零部件中,鋁及鋁合金的凈質量占結構總凈質的85%以上。

  貯箱結構

  結構用材與箭體結構設計、制造加工工藝、材料制備工藝、經濟性等一系列問題休戚相關,是決定火箭起飛質量和有效載荷能力的關鍵。按材料體系的發展歷程,可將火箭燃料貯箱材料的發展歷程分為四代。第一代為5系鋁合金,即Al-Mg系合金,代表合金為5A06、5A03合金,從上世紀50年代末用于制造P-2火箭燃料貯箱結構開始,至今仍在采用,5A06合金含5.8% Mg~6.8% Mg,5A03是一個Al-Mg-Mn-Si合金。第二代為Al-Cu系2系合金,中國長征系列運載火箭貯箱就是用2A14合金制造的,是一種Al-Cu-Mg-Mn-Si合金;從20世紀70年代到現在,中國開始用2219合金制造貯箱,這是一個Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti合金,廣泛用于制造各種運載火箭貯箱,同時武器發射低溫燃料貯箱結構上也得廣泛應用,是一種低溫性能與綜合性能俱佳的合金;第三代為Al-Li合金,即含Li量≤3.0%的2系合金和5系合金,前者為美國、英國、德國、日本等采用,而后者是俄羅斯研發的,20世紀80年代國外就開始使用,早已進入工業化制備與工程化應用階段,而中國目前僅在航空工業有規模不大的應用,運載火箭貯箱結構尚未見應用實例報道。

  長征五號運載火箭

  2016年11月3日,中國成功發射長征五號運載火箭,綽號“胖五”。它的直徑比中國現役火箭大50%,芯級直徑5m,助推器直徑3.35m,而中國現役火箭芯級直徑為3.35m,助推器直徑為2.25m。除了“腰圍”大,它的“身高”約57m,相當于20層樓高,僅次于長征二號F運載火箭,因而可容納更多的推進劑(燃料)。芯級發動機采用液氫(-253℃)液氧(-183℃),助推器燃料為液氧煤油組合。也就是說,長征五號內部的溫度遠低于冰點的超低溫,所以又把它稱為“冰箭”。在長征五號重達800多t的身體里,90%是液氫與液氧。點火后,發動機噴出的烈焰溫度卻高達3000多℃,此時它內外“冰火兩重天”的極端狀態,是對中國航天技術和所用材料的極大考驗。

  長征五號的研制歷時10a,足見其難度之大,在研制中,突破了247項關鍵技術,其中最為重大的關鍵技術有12項,新技術比例幾乎達到100%,核心技術全部是自創的,實現了長征火箭的跨越式升級換代。長征五號火箭有12顆“大心臟”即發動機,提供10564.4kN的總推力。8臺液氧煤油發動機為4組,組成助推動力,共有起飛動力9408kN;2臺490kN氫氧發動機擔負組成芯一級動力,起飛動力980kN;兩臺88.2kN膨脹循環氫氧發動機組成芯二級動力。長征五號系列運載火箭低軌道運載能力可達25t級,高軌道運載能力可達14t級,跨過了國際上大型運載火箭近地軌道運載能力20t、高軌道運載能力10t的“門檻”,可與美國宇宙神5、德爾塔4,歐洲阿里安5等世界主力大型火箭并肩齊跑。

  中國運載火箭產業雖然取得了舉世矚目的成就,但與世界航天強國相比,還存在一些差距。運載火箭型譜需要不斷完善,火箭發動機、大直徑箭體結構等關鍵技術基礎需要不斷夯實,降低成本、提高競爭力的研制新模式有待建立與加強。

  長征八號“一箭五星”首飛成功

  2020年12月22日12時37分,中國自主研制的新型中型運載火箭長征八號首飛試驗圓滿成功。長征八號運箭火箭充分繼承了長征五號、長征七號運載火箭技術成果、填補了中國太陽同步軌道3t~4.5t運載能力空白,對加速推進運載火箭升級換代具有重要意義。

  長征八號運載火箭全長約50m,采用了模塊化組裝理念,未來長征八號火箭的發射周期將縮短至10d,同時將采用垂直起降技術,從而使它們能夠進行不止一次發射,估計這種可于2025年前后完成研制,中國計劃2022年前后建成多艙段、有人居住的空間站,2045年實現每年總飛行次數達到千次量級、總貨運達萬噸級、總客運達萬人數。

  運載火箭天津制 大鍛環西南鋁造

  中國運載火箭制造基地位于天津經濟技術開發區,由火箭研制生產區、航天技術應用產業區和輔助配套區組成,集火箭零部件生產、部組件裝配、總裝測試與試驗于一體。

  火箭推進劑貯箱是由一節節的長2m級~5m級的圓筒連接而成。貯箱是鋁合金制的,因此需用鋁合金鍛環把它們連接和加固起來。另外運載火箭、空間站等航天器的連接器、過渡環、轉接框等部位也要用連接鍛環,因此鍛環是一類很關鍵的連接件和結構件。西南鋁業(集團)有限責任公司和東北輕合金有限責任公司、西北鋁業有限責任公司在鍛環的研發和制造加工方面都做了不少工作。

  2007年,西南鋁攻克了大鑄綻鑄造、鍛造開坯、環件軋制、冷變形等技術難關,研制出直徑5m鋁合金鍛環,獨創的核心鍛造技術填補了國內空白,成功應用于長征五號新一代運載火箭。2015年,西南鋁研發首件直徑9m超大型鋁合金整體鍛環,創世界紀錄。2016年,西南鋁成功攻克軋制成型、熱處理等多項關鍵核心技術,研制出直徑10m的超大規格鋁合金鍛環,再次刷新世界紀錄,為中國重型運載火箭研制解決了重大關鍵技術難題。2020年12月該鍛環首獲工信部制造業單項冠軍產品榮譽稱號。

  運載火箭貯箱及艙段結構材料的發展與鋁-鋰合金

  貯箱鋁合金

  運載火箭貯箱結構材料國外已于上世紀80年代中期起進入第三代,即鋁-鋰合金時代。新世紀以來已大規模采用含少量鋰的2系Al-Li合金,俄羅斯則采用含少量鋰的Al-Mg合金,而按中國運載火箭技術研究院林奔等的資料,即使當前中國也僅在航空領域有所應用,貯箱結構還沒有應用實例。含少量Li的鋁-鎂系及鋁-銅系合金具有更大的減重效果,與不含Li的合金相比,減重效果可達10%~30%。

  可喜的是,中國有些企業和研究單位如西南鋁業(集團)有限責任公司、鄭州輕金屬研究院等,通過多年的連續艱苦奮戰,突破了合金成分精準控制,大規格鑄錠鑄造與均勻化處理、全程顯微組織精細調控、大規格板材形變熱處理等關鍵技術瓶頸,實現了大規格Al-Li合金均勻化處理,強度、韌性、低溫性能、可焊性能等協同提高,達到了產業化制備目標,但與國外先進國家產品相比,在產品性能穩定性與一致性、生產成本等方面仍有一些差距,預計到2025年才能全面趕上或超過國外高檔產品的各項指標。

  美國重型運載火箭貯箱先后選用了2014、2219、2195、2198等鋁合金,同時美國在選擇高性能Al-Li合金的過程中由片面追求性能已轉向綜合考慮成本因素。目前美國正在積極研制性能更好、成本更低的以2050合金為代表的新一代Al-Li合金。

  艙段結構鋁合金

  中國自上世紀60年代運載火箭研制開始直至目前,運載火箭艙段結構鋁合金都以2A12和7A09為代表的第一代、第二代合金為主,而國外已進入第四代艙段結構鋁合金7055、7085合金,它們有高的強度性能,低的淬火敏感性和缺口敏感性而得到廣泛應用。7055是一種Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金,7085也是一種Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金,不過它的雜質Fe、Si含量很低,同時Zn的含量高,為7.0%~8.0%。以2A97、1460等為代表的第三代Al-Li合金,以其高強度、高模量、高伸長率已在國外航天產業得到應用。

  顆粒增強鋁基復合材料有高模量、高強度等優點,可用其取代7A09合金制造半硬殼艙段桁條。中科院金屬研究所、哈爾濱工業大學、上海交通大學等在顆粒增強鋁基復合材料研究與制備方面做了許多工作,成就顯著。

  國外的航空航天Al-Li合金

  在國外航空航天器上獲得最成功應用的當數肯聯鋁業公司伊蘇瓦爾軋制廠與魁北克研發中心歷時8載研發的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,是第一個獲得成功商業化應用的Al-Li合金,用于制造火箭發射低溫燃料貯箱;2196合金:Al-2.8Cu-1.6Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,低密度、高強度、高斷裂韌性,原是為哈布爾(Hubble)太陽能板邊框型材發展的,現在多用于擠壓飛機型材;2098合金:Al-3.5 Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,原是為制造HSCT機身研發的,因其疲勞強度高,現用于F16戰斗機機身和航天器法爾康(Falcon)的發射燃料貯箱;2198合金:Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr,用于軋制商業飛機薄板;2050合金:Al-3.5Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.4Mn-0.1Zr,用于生產厚板,以取代7050-T7451合金厚板,用于制造商用飛機結構/發射火箭構件。與2195合金相比,2050合金的Cu+Mn含量比較低,以降低淬火敏感性與保持厚板有高的力學性能,比強度高4%,比模量高9%,斷裂韌性上升了,有高的應力腐蝕開裂抗力與高的疲勞裂紋擴展抗力,另外還有高的高溫穩定性。(來源: 中國有色金屬報)

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