大火箭与大旋压机
马氏体
2023-04-17 05:36
欧洲航天局（ESA）的阿丽亚娜5（Ariane 5）运载火箭捆绑两个大型固体助推器，每个助推器直径3.1米，长31.6米，重270余吨，装填240余吨端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂，最大推力720吨，贡献了火箭超过90%的起飞推力。4月14日，阿丽亚娜5运载火箭在法属圭亚那库鲁航天中心成功发射“木星冰月探测器”（JUICE）。这个重达6吨的探测器将飞向遥远的木星，用于详细研究木星卫星（木卫二、木卫三、木卫四）的地下海洋，增进人类对外星球海洋和潜在外星生命的认识。这是倒数第二发阿丽亚娜5，预计6月份发射完最后一发后，阿丽亚娜5火箭将退役，由阿丽亚娜6型火箭接替。
助推器的壳体材料是低合金高强度钢。德意志博物馆航空分馆展示了一个筒体分段，直径3.1米，长3.5米，壁厚8毫米，重2.55吨。
壳体由七个分段连接而成（上下分段相互咬合，用销钉固定，用O型圈密封）。
这个大直径薄壁钢圆筒用到一种特殊成形工艺——对轮旋压。
所谓旋压，是将平板状或者空心坯料固定在模具上，随着模具的旋转，向坯料施加局部的压力，使坯料变形贴合到模具上，从而得到与模具形状一致的产品。
对轮旋压是用一对旋轮从内外两侧同时加工筒型毛坯的内外表面，首先带来的好处就是不需要芯模，降低成本，可实现柔性化生产；两面同时加工也意味着用更小的力就能实现更大的变形量，提高内表面的成形质量和内外表面的力学性能均匀性，适用于直径2.5米以上大型薄壁筒件。
从一块1米长、壁厚58毫米的筒坯开始，只需75分钟就可以旋压出一段助推器筒体。承担这项任务的是德国MT Aerospace公司（原为MAN集团的子公司MAN Technology，后被欧洲航天龙头之一的OHB公司收购），使用Thyssen公司（1999年与Krupp公司合并为蒂森克虏伯）制造的3.2米直径对轮旋压机（下图是它的模型），旋轮的径向压力可达160吨。
目前世界上最大的对轮旋压机属于美国Ladish公司，加工能力达到直径4.4米、长5米，航天飞机和SLS运载火箭的助推器3.7米直径钢壳体就由它加工，后者的推力达1600吨，是目前最强大的固体发动机。
对轮旋压钢壳体适用于大直径、大推力、但也讲求性价比的运载火箭，依靠减重来提升性能的导弹则使用高性能纤维（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维）复合材料壳体，而在“廉价走量”的中小型导弹钢壳体上，对轮旋压的优势并不明显。此外，对轮旋压还可以加工液体运载火箭的铝合金推进剂贮箱筒段、大口径油气管道等。
我国的对轮旋压装备发展比较滞后，目前仅有一些小型的实验装置。不过在其他大型旋压机方面，我国已追赶到世界先进水平。
2018-2019年，西安博赛投产了亚洲最大的3.6米直径立式旋压机和5.8米直径卧式旋压机，服务于航空、航天、军工和各类民用领域。
由5800旋压机加工的运载火箭推进剂贮箱箱底（铝锂合金，3.35米直径）。用一块整体成形的金属代替分片焊接结构，可以减少焊缝、减轻重量、提高可靠性、缩短制造周期，用于长征七号、八号等新一代运载火箭。
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参考资料：
陕西卫视. 《陕西新闻联播》20191221亚洲最大卧式旋压机在西安建成投产 填补我国金属旋压重大装备制造业空白
http://news.cctv.com/2019/12/21/VIDE0gBVeFSgNH678fSPNlJn191221.shtml
金属加工. 亚洲最大的5800卧式双滑台强力数控旋压机投产.
张大伟,朱成成,赵升吨. 大型筒形件对轮旋压设备及应用进展. 中国机械工程,2020,31(9):1049-1056.
孙于晴,曹学文,杨延涛,等. 大直径筒体对轮旋压技术研究现状及发展前景. 航天制造技术,2022(1):16-22.
张立军,杨宁,李志顺,等. 金属薄壁筒体对轮旋压技术进展及应用探析. 中国机械工程,2023,34(2):226-237.
