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近日，我國(guó)首個(gè)3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱在火箭院誕生，經(jīng)各環(huán)節(jié)試驗(yàn)檢測(cè)合格且性能良好，初步具備工程應(yīng)用條件。該貯箱采用了第三代高性能鋁鋰合金，與當(dāng)前國(guó)際主流鋁銅合金貯箱相比，強(qiáng)度提升30%左右，同等條件下結(jié)構(gòu)減重15%以上。這標(biāo)志著我國(guó)已打通國(guó)際一流貯箱研制鏈路，運(yùn)載火箭研制水平實(shí)現(xiàn)新跨越。

3350直徑鋁鋰合金貯箱工程樣機(jī)下架

鋁鋰合金貯箱在國(guó)際上技術(shù)領(lǐng)先

在我國(guó)航天界有這樣一句話：“運(yùn)載火箭的能力有多大，中國(guó)航天的舞臺(tái)就有多大”，但在貯箱研制人員中，這句話前還會(huì)加半句：“貯箱有多大，運(yùn)載火箭就有多大”。

“這個(gè)‘大’是廣義概念，不僅指貯箱的直徑，還泛指貯箱的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)效率。”3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱研制人員、總體設(shè)計(jì)部火箭貯箱設(shè)計(jì)師胡正根說(shuō)，“我國(guó)運(yùn)載火箭貯箱已形成7種直徑、3代材料組成的10余種類型。”

在一枚新的火箭設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師會(huì)將不同直徑的不同材料靈活組合，研制出尺寸、材料、成本等不同的多種貯箱，如1米級(jí)鋁銅合金貯箱、2.25米級(jí)鋁鎂合金貯箱等，滿足不同運(yùn)載任務(wù)的需求。

第三代鋁鋰合金貯箱的問(wèn)世，是我國(guó)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力進(jìn)一步提升的重要標(biāo)志。胡正根說(shuō)，目前僅美國(guó)航天飛機(jī)、法爾肯和前蘇聯(lián)能源號(hào)等運(yùn)載火箭，在貯箱結(jié)構(gòu)上大面積使用了鋁鋰合金，這使其結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，代表了運(yùn)載火箭貯箱的發(fā)展方向。從2018年起，我國(guó)鋁鋰合金火箭貯箱研制全面啟動(dòng)，火箭院以相關(guān)型號(hào)任務(wù)和課題研究為牽引，投入第三代鋁鋰合金貯箱研制全流程技術(shù)攻關(guān)。

突破八大關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)于傳統(tǒng)鋁銅合金，鋁鋰合金強(qiáng)度和剛度顯著提升，密度卻下降了3%-5%，是當(dāng)前國(guó)際航天大國(guó)爭(zhēng)相開拓的領(lǐng)域。

優(yōu)異的性能往往需要頂級(jí)的制造技術(shù)。貯箱占箭體結(jié)構(gòu)重量和空間50%以上，其內(nèi)部加注的燃料占火箭總重90%以上，可以說(shuō)，加注后的火箭能否穩(wěn)定起飛，貯箱性能穩(wěn)定性是核心要素之一。

鋁鋰合金恰好符合火箭貯箱的各種性能要求，胡正根介紹，鋰是元素周期表中最輕的金屬元素，在鋁中每加入1%的鋰，密度降低3%，彈性模量反而提升6%，這對(duì)運(yùn)力按克重計(jì)算價(jià)格的火箭來(lái)說(shuō)彌足珍貴。

但鋁鋰合金材料各向異性強(qiáng)、屈強(qiáng)比高、鋰原子活潑，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件成形和焊接都帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。哪個(gè)環(huán)節(jié)稍有不慎就會(huì)前功盡棄。火箭院總體設(shè)計(jì)部集合當(dāng)前國(guó)內(nèi)尖端力量，與天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司、航天材料及工藝研究所、中南大學(xué)、西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、江蘇豪然噴射成形合金有限公司等強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，從原材料成分優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件成形、裝配焊接等方面入手，開展全流程全要素研發(fā)。

鋁鋰合金貯箱生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

2018年至今，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)突破了成分優(yōu)化控制、輕質(zhì)化設(shè)計(jì)、形變熱處理、整體旋壓、攪拌摩擦焊等8大關(guān)鍵技術(shù)，一鼓作氣打通了鋁鋰合金貯箱的研制鏈路，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首個(gè)3.35米直徑鋁鋰合金貯箱高精度高性能設(shè)計(jì)制造。

貯箱設(shè)計(jì)制造研究還牽引了整體成形技術(shù)的進(jìn)步。如，整體旋壓和整體環(huán)軋技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了箱底由頂蓋+多塊瓜瓣的拼焊向整體成形無(wú)焊縫轉(zhuǎn)變，大幅度減少了貯箱焊縫，保證了產(chǎn)品可靠性，同時(shí)縮減了生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)效率。

整體旋壓成形3350直徑鋁鋰合金貯箱箱底

火箭運(yùn)載能力將顯著提升

運(yùn)載能力是衡量火箭價(jià)值的核心指標(biāo)之一，一枚火箭運(yùn)載的衛(wèi)星等有效載荷越重，它的運(yùn)載能力、價(jià)值越大。以長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭（簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)七火箭”）為例，火箭起飛質(zhì)量約597噸，能將不低于14噸的有效載荷送入近地軌道，14噸就是長(zhǎng)七火箭近地軌道運(yùn)載能力。

在597噸的起飛質(zhì)量中，火箭自身的重量占起飛重量的97%以上。不難看出，火箭自重與其運(yùn)載能力是“此消彼長(zhǎng)”關(guān)系，火箭自重越輕，能讓給衛(wèi)星等有效載荷的重量就越多，而貯箱結(jié)構(gòu)重量占箭體結(jié)構(gòu)總重的50%以上，是降低結(jié)構(gòu)重量、提高火箭運(yùn)載能力的關(guān)鍵。

那么，一枚火箭上有十幾個(gè)貯箱，全換成鋁鋰合金貯箱，是不是能實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力和價(jià)值最大化？

“與火箭的運(yùn)載能力相比，發(fā)射成本也是衛(wèi)星等有效載荷用戶最關(guān)注的因素。鋁鋰合金材料成本遠(yuǎn)高于鋁鎂合金和鋁銅合金。”胡正根說(shuō)，“以噸為單位，鋁鎂合金的價(jià)格在6萬(wàn)元左右，鋁銅合金的價(jià)格在10萬(wàn)元左右，而現(xiàn)在鋁鋰合金的價(jià)格則高達(dá)30-100萬(wàn)元。”

好鋼要用在刀刃上。胡正根說(shuō)，火箭飛行高度不同，所需的掙脫地球引力的力氣也不同，起飛階段需要的力氣最大，進(jìn)入太空后需要的力氣最小。經(jīng)過(guò)專家測(cè)算，給火箭末級(jí)減重1公斤，就相當(dāng)于火箭運(yùn)載能力增加1公斤。因此，將鋁鋰合金貯箱應(yīng)用在火箭末級(jí)的效益最高，當(dāng)前國(guó)際上的航天強(qiáng)國(guó)，也都將鋁鋰合金貯箱應(yīng)用于火箭末級(jí)上，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力的顯著提升。

火箭院總體設(shè)計(jì)部結(jié)構(gòu)室主任劉觀日介紹，我國(guó)3.35米鋁鋰合金貯箱將主要應(yīng)用在新一代運(yùn)載火箭末級(jí)，提升長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征八號(hào)等火箭結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力，大幅增強(qiáng)我國(guó)深空探測(cè)能力和水平，同時(shí)為更大直徑的重型火箭和新一代載人火箭研制奠定基礎(chǔ)。