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2018年,哈工大苑世剑教授及其团队攻克火箭燃料贮箱国际性难题,使用“双向可控加压流体高压成形”新技术,攻克了火箭燃料贮箱箱底成形中起皱和开裂缺陷并存的世界性难题。打破了寡头把持的局面,全世界首次直接成型出运载火箭直接3米级别的燃料贮箱薄壁整体箱底。3年后,2021年1月22日,航天科技集团一院的成功试制直径3.35米的新材料贮箱,并且不是采用传统的铝锂材料,而是使用复合材料,采用全新的制造方法。据悉:“该贮箱主要应用在液氧环境下,相比金属贮箱可减重30%,强度更高,能够大幅提高火箭的结构效率和运载能力,是一种新型轻质贮箱。”这就是你所谓的用烂了的技术。
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燃料贮箱箱底被誉为火箭上的“王冠”。因为燃料贮箱是运载火箭的主体结构,由筒体、叉型环和箱底组成,但箱底受力复杂,是影响全箭可靠性的关键构件。美国NASA、欧空局采用“厚板(50mm以上)+热旋压制坯+数控铣削”的技术路线来制造整体结构箱底,但是这一办法工艺复杂、制造周期长(约6个月)、材料浪费严重(90%材料被铣掉),且当前美欧等国家大型旋压设备对我国实行禁运。因此我国现役火箭贮箱箱底普遍采用“分块成形+焊接”结构,但这一结构尺寸精度差、废品率高和可靠性低,成为制约运载火箭发展的一个瓶颈难题。
哈尔滨工业大学苑世剑教授团队提出的“双向可控加压流体高压成形新技术”通过控制正向与反向液压载荷,调控压力比,使得坯料变形区处于合理的应力状态,解决了深腔曲面件起皱与破裂并存的难题,突破现有技术的成形极限。该技术颠覆了美国NASA、欧空局几十年沿用的技术路线,打破了发达国家对我国火箭箱底整体制造技术的封锁和设备禁运。
“我们采用与构件等厚的薄板直接成形出运载火箭直径3m级燃料贮箱薄壁整体箱底,这在国际上也属首次。”哈尔滨工业大学副教授刘伟介绍说,这一技术替代传统的多块焊接结构,完全消除焊缝,综合力学性能优于传统焊接结构,可大幅提高运载火箭的可靠性,让生产成本降低50%、生产周期缩短2/3,可正式用于火箭型号产品。
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箱底整体成型主要存在三种技术实施途径:整体旋压成型、流体压力成型以及多时空脉冲强磁场成型。整体旋压成型又可分为有芯膜旋压和无芯膜旋压等。整底旋压成型工艺在国外发展已经非常成熟。2007年,美国国家航空航天局(National Aeronauticsand Space Administration,NASA)采用有芯模热旋工艺制造了直径Φ4.2 m箱底,使用的原材料为2195Al-Li合金,其制造流程为:板料焊接→焊后热处理→强力旋压→热处理→机械加工
[11]。H-2B火箭Φ5.2 m贮箱箱底由日本宇宙航空研究开发机构(Japan AerospaceExploration Agency,JAXA)和三菱重工于2008年、在H-2A火箭Φ4 m贮箱箱底基础上共同开发、制造,其制造工艺如下:将大尺寸的铝合金板材置于碗状模具上进行多道次挤压塑性变形以实现预成型效果,然后对预成型构件进行多道次旋压终成型,其中多道次预成型及旋压终成型过程中要反复进行热处理和机械加工,最后将终成型构件精加工为符合要求的贮箱箱底
[12]。2009年,NASA与德国MT空间研究所合作,采用搅拌摩擦焊工艺制备旋压板料,利用MT空间研究所的“凹面净近旋压成型技术”(2006年申请专利),采用无芯模对轮旋压直接成型了直径Φ5.5m贮箱箱底。欧洲针对“阿丽亚娜5号”(Ariane 5)火箭5 m直径2219铝合金箱底进行了整体旋压攻关
[13],美国也进行了5.5 m直径2195铝锂合金箱底旋压工艺开发