由于鋁合金的密度?。ā?.8g/cm3）、比強(qiáng)度與比剛度大、抗腐蝕、抗疲勞、韌性好、加工成型性能優(yōu)秀、是資源豐富、價格適中、對人體與環(huán)境無害、循環(huán)性能最優(yōu)的工業(yè)金屬，因此在國民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛應(yīng)用，已成為第二大金屬，2020年，全世界原鋁與再生鋁產(chǎn)量約95000kt，是一類從日用品到航空航天各領(lǐng)域不可或缺的材料。在當(dāng)今運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)材料中，鋁材、鋁基復(fù)合材料是用量最大的一類材料。據(jù)作者估計(jì)，在運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)與零部件中，鋁及鋁合金的凈質(zhì)量占結(jié)構(gòu)總凈質(zhì)的85%以上。
貯箱結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)用材與箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工工藝、材料制備工藝、經(jīng)濟(jì)性等一系列問題休戚相關(guān)，是決定火箭起飛質(zhì)量和有效載荷能力的關(guān)鍵。按材料體系的發(fā)展歷程，可將火箭燃料貯箱材料的發(fā)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(jì)50年代末用于制造P-2火箭燃料貯箱結(jié)構(gòu)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(yùn)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(jì)70年代到現(xiàn)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(yùn)載火箭貯箱，同時武器發(fā)射低溫燃料貯箱結(jié)構(gòu)上也得廣泛應(yīng)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(fā)的，20世紀(jì)80年代國外就開始使用，早已進(jìn)入工業(yè)化制備與工程化應(yīng)用階段，而中國目前僅在航空工業(yè)有規(guī)模不大的應(yīng)用，運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)尚未見應(yīng)用實(shí)例報(bào)道。
長征五號運(yùn)載火箭
2016年11月3日，中國成功發(fā)射長征五號運(yùn)載火箭，綽號“胖五”。它的直徑比中國現(xiàn)役火箭大50%，芯級直徑5m，助推器直徑3.35m，而中國現(xiàn)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(dāng)于20層樓高，僅次于長征二號F運(yùn)載火箭，因而可容納更多的推進(jìn)劑（燃料）。芯級發(fā)動機(jī)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(nèi)部的溫度遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的超低溫，所以又把它稱為“冰箭”。在長征五號重達(dá)800多t的身體里，90%是液氫與液氧。點(diǎn)火后，發(fā)動機(jī)噴出的烈焰溫度卻高達(dá)3000多℃，此時它內(nèi)外“冰火兩重天”的極端狀態(tài)，是對中國航天技術(shù)和所用材料的極大考驗(yàn)。
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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中最為重大的關(guān)鍵技術(shù)有12項(xiàng)，新技術(shù)比例幾乎達(dá)到100%，核心技術(shù)全部是自創(chuàng)的，實(shí)現(xiàn)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(fā)動機(jī)，提供10564.4kN的總推力。8臺液氧煤油發(fā)動機(jī)為4組，組成助推動力，共有起飛動力9408kN；2臺490kN氫氧發(fā)動機(jī)擔(dān)負(fù)組成芯一級動力，起飛動力980kN；兩臺88.2kN膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)組成芯二級動力。長征五號系列運(yùn)載火箭低軌道運(yùn)載能力可達(dá)25t級，高軌道運(yùn)載能力可達(dá)14t級，跨過了國際上大型運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力20t、高軌道運(yùn)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(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)雖然取得了舉世矚目的成就，但與世界航天強(qiáng)國相比，還存在一些差距。運(yùn)載火箭型譜需要不斷完善，火箭發(fā)動機(jī)、大直徑箭體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)需要不斷夯實(shí)，降低成本、提高競爭力的研制新模式有待建立與加強(qiáng)。
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(yùn)載火箭長征八號首飛試驗(yàn)圓滿成功。長征八號運(yùn)箭火箭充分繼承了長征五號、長征七號運(yùn)載火箭技術(shù)成果、填補(bǔ)了中國太陽同步軌道3t～4.5t運(yùn)載能力空白，對加速推進(jìn)運(yùn)載火箭升級換代具有重要意義。
長征八號運(yùn)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(fā)射周期將縮短至10d，同時將采用垂直起降技術(shù)，從而使它們能夠進(jìn)行不止一次發(fā)射，估計(jì)這種可于2025年前后完成研制，中國計(jì)劃2022年前后建成多艙段、有人居住的空間站，2045年實(shí)現(xiàn)每年總飛行次數(shù)達(dá)到千次量級、總貨運(yùn)達(dá)萬噸級、總客運(yùn)達(dá)萬人數(shù)。
西南鋁生產(chǎn)的各種直徑鋁合金鍛環(huán)
運(yùn)載火箭天津制 大鍛環(huán)西南鋁造
中國運(yùn)載火箭制造基地位于天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，由火箭研制生產(chǎn)區(qū)、航天技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)區(qū)和輔助配套區(qū)組成，集火箭零部件生產(chǎn)、部組件裝配、總裝測試與試驗(yàn)于一體。
火箭推進(jìn)劑貯箱是由一節(jié)節(jié)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(huán)把它們連接和加固起來。另外運(yùn)載火箭、空間站等航天器的連接器、過渡環(huán)、轉(zhuǎn)接框等部位也要用連接鍛環(huán)，因此鍛環(huán)是一類很關(guān)鍵的連接件和結(jié)構(gòu)件。西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和東北輕合金有限責(zé)任公司、西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司在鍛環(huán)的研發(fā)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(huán)件軋制、冷變形等技術(shù)難關(guān)，研制出直徑5m鋁合金鍛環(huán)，獨(dú)創(chuàng)的核心鍛造技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，成功應(yīng)用于長征五號新一代運(yùn)載火箭。2015年，西南鋁研發(fā)首件直徑9m超大型鋁合金整體鍛環(huán)，創(chuàng)世界紀(jì)錄。2016年，西南鋁成功攻克軋制成型、熱處理等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，研制出直徑10m的超大規(guī)格鋁合金鍛環(huán)，再次刷新世界紀(jì)錄，為中國重型運(yùn)載火箭研制解決了重大關(guān)鍵技術(shù)難題。2020年12月該鍛環(huán)首獲工信部制造業(yè)單項(xiàng)冠軍產(chǎn)品榮譽(yù)稱號。
運(yùn)載火箭貯箱及艙段結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展與鋁-鋰合金
貯箱鋁合金
運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)材料國外已于上世紀(jì)80年代中期起進(jìn)入第三代，即鋁-鋰合金（第十屆中國鋁工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展大會暨第三屆國際鋁工業(yè)高峰論壇）時代。新世紀(jì)以來已大規(guī)模采用含少量鋰的2系A(chǔ)l-Li合金，俄羅斯則采用含少量鋰的Al-Mg合金，而按中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院林奔等的資料，即使當(dāng)前中國也僅在航空領(lǐng)域有所應(yīng)用，貯箱結(jié)構(gòu)還沒有應(yīng)用實(shí)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(dá)10%～30%。
可喜的是，中國有些企業(yè)和研究單位如西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、鄭州輕金屬研究院等，通過多年的連續(xù)艱苦奮戰(zhàn)，突破了合金成分精準(zhǔn)控制，大規(guī)格鑄錠鑄造與均勻化處理、全程顯微組織精細(xì)調(diào)控、大規(guī)格板材形變熱處理等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格Al-Li合金均勻化處理，強(qiáng)度、韌性、低溫性能、可焊性能等協(xié)同提高，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化制備目標(biāo)，但與國外先進(jìn)國家產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品性能穩(wěn)定性與一致性、生產(chǎn)成本等方面仍有一些差距，預(yù)計(jì)到2025年才能全面趕上或超過國外高檔產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)。
美國重型運(yùn)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最佳已轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)鋁合金
中國自上世紀(jì)60年代運(yùn)載火箭研制開始直至目前，運(yùn)載火箭艙段結(jié)構(gòu)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(jìn)入第四代艙段結(jié)構(gòu)鋁合金7055、7085合金，它們有高的強(qiáng)度性能，低的淬火敏感性和缺口敏感性而得到廣泛應(yīng)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(zhì)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(qiáng)度、高模量、高伸長率已在國外航天產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用。
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(yīng)用的當(dāng)數(shù)肯聯(lián)鋁業(yè)公司伊蘇瓦爾軋制廠與魁北克研發(fā)中心歷時8載研發(fā)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(yè)化應(yīng)用的Al-Li合金，用于制造火箭發(fā)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(qiáng)度、高斷裂韌性，原是為哈布爾（Hubble）太陽能板邊框型材發(fā)展的，現(xiàn)在多用于擠壓飛機(jī)型材；2098合金：Al-3.5 Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr，原是為制造HSCT機(jī)身研發(fā)的，因其疲勞強(qiáng)度高，現(xiàn)用于F16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身和航天器法爾康（Falcon）的發(fā)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(yè)飛機(jī)薄板；2050合金：Al-3.5Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.4Mn-0.1Zr，用于生產(chǎn)厚板，以取代7050-T7451合金厚板，用于制造商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)/發(fā)射火箭構(gòu)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(xué)性能，比強(qiáng)度高4%，比模量高9%，斷裂韌性上升了，有高的應(yīng)力腐蝕開裂抗力與高的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力，另外還有高的高溫穩(wěn)定性。
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