运载火箭贮箱工艺技术及发展趋势情况(附报告目录)

2021年01月06日

运载火箭贮箱工艺技术及发展趋势情况(附报告目录)

1、运载火箭贮箱结构整体向着大型化,模块化的发展方向推进

作为航天技术的基础,航天运输系统的技术水平代表着一个国家自主进出空间的能力。确保可靠、安全、快速、机动、经济、环保地进出空间,不仅是未来实现迅速部署、重构、扩充和维护航天器的基础,也是大规模开发和利用空间资源的前提。从目前来看,作为航天运载系统的主力之一运载火箭正向着大型化、系列化、组合化方向发展,而且各航天大国主流运载火箭的更新换代已经或即将完成。

相关报告:北京普华有策信息咨询有限公司《国内外运载火箭贮箱行业技术分析报告(2020年版)》

作为运载火箭关键分系统之一的箭体结构,其推进剂贮箱多采用高强铝合金材料经拼装焊接而成,属于大型薄壁铝合金焊接结构,一方面作为液体容器实现推进剂的贮存、增压输送等功能,另一方面作为火箭主结构传递飞行作用力。我国目前正在研制新一代运载火箭贮箱结构,包括未来的重型运载火箭贮箱,结构轻质化要求,可靠性要求,先进性要求也越来越突出。

随着运载火箭运载能力要求的不断提高,运载火箭贮箱结构整体向着大型化,模块化的发展方向推进;共底结构形式在国外大型贮箱结构中得到更多地应用;高效轻质新型材料得到更多应用,结构更加轻质化,但需特别注意工艺适应性;贮箱结构可靠性的提高,需要不断推进新型高可靠工艺的应用;贮箱结构设计与先进轻质材料、先进制造技术更加紧密结合,共同推动着结构轻质、高效目标的实现。

2、高强度铝锂合金火箭贮箱搅拌摩擦焊接工艺

1)先进搅拌摩擦焊技术

焊接是制造铝锂合金航天构件产品的重要工艺之一。前苏联曾对14201460合金焊接工艺进行了深人研究。20世纪末,搅拌摩擦焊技术逐渐成为铝锂合金理想焊接工艺。铝锂合金在搅拌摩擦焊接过程中,搅拌头的高速旋转有效破碎待焊表面的氧化膜,焊接产生的摩擦热低于母材熔点,避免了合金中锂挥发,有效减少焊接接头的气孔、裂缝等缺陷,使铝锂合金焊接接头强度、断裂韧性都显著提高,达到母材的70%~87%

目前,欧美等国家已实现搅拌摩擦焊在运载火箭贮箱上的工程化应用。下图为搅拌摩擦焊在美国宇航产品中的应用。美国Atlas系列、Delta系列等火箭贮箱纵焊缝以及日本H-2B火箭贮箱的筒段纵焊缝和对接环焊缝均采用搅拌摩擦焊技术。美国SpaceX轨道公司以2198铝锂合金为原材料,用搅拌摩擦焊完成Falcon 9火箭贮箱箱体环缝焊接制造,并在201064日成功实现飞行试验。

搅拌摩擦焊在美国宇航产品中的应用

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资料来源:普华有策整理

2)运载火箭铝合金贮箱全搅拌摩擦焊接工艺现状

搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接研究所发明的一项新型固相焊接技术。由于焊接温度未达到轻质合金熔点,可以有效避免轻质合金熔焊过程中易出现的气孔、夹杂、热裂纹等冶金缺陷,该技术的出现为轻质合金的焊接带来了革命性的变化。搅拌摩擦焊技术一出现便使得工业界产生了极大的兴趣,尤其是航天领域。美国宇航机构已经实现了搅拌摩擦焊技术在运载火箭贮箱上的规模化工程应用。例如:波音公司率先应用于Deltall火箭中间舱段的制造,并于1999817日成功通过飞行考核,之后推广应用于DeltallDeltaIV、航天飞机外贮箱的承压筒段制造;此外,美国NASA实现了AresI火箭的中5.5m箱底及03.6m猎户座载人飞船的全搅拌摩擦焊接。随着搅拌摩擦焊技术的优势逐渐被认识,我国也开始将该技术应用于铝合金结构件的制造中。经过近十多年的技术攻关,首都航天机械公司逐步掌握了实现运载火箭贮箱全搅拌摩擦焊接制造的所有关键工艺,并逐步实现了在运载火箭贮箱筒段、箱底以及总装环缝上的工程化应用和考核。

运载火箭贮箱主体结构及主焊缝示意图

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资料来源:普华有策整理

搅拌摩擦焊技术已经成为运载火箭铝合金贮箱制造的发展趋势。对实现全搅拌摩擦焊接贮箱的关键技术研究结果表明:常规搅拌摩擦焊技术可以实现贮箱简段纵缝和箱底瓜瓣纵缝的高质量焊接;采用可回抽搅拌头和无匙孔焊接工艺可以满足封闭环缝的无匙孔焊接,且回抽区域接头力学性能完全可以达到设计指标要求;超声相控阵检测技术是可以检测出搅拌摩擦焊缝的常见焊接缺陷,是搅拌摩擦焊技术实现工程化应用的重要配套技术;重复搅拌摩擦焊、固相或熔焊填充+搅拌摩擦焊、熔焊修补、摩擦塞补焊是搅拌摩擦焊工程应用中的重要补焊手段,补焊接头性能均可以达到50%以上。在上述关键技术获得突破的基础上,我国逐步实现了搅拌摩擦焊技术在运载火箭贮箱筒段纵缝箱底主焊缝直至贮箱总装环缝上的工程化应用。

报告目录:

第一章国内外运载火箭贮箱发展概况1

第一节国内外运载火箭贮箱发展状况1

一、运载火箭贮箱结构整体向着大型化,模块化的发展方向推进1

二、燃料贮箱薄壁整体箱底技术2

三、超轻量化的燃料贮箱研究3

四、贮箱简段网格轻质优化设计4

五、液氧低温贮箱绝热结构轻质优化设计6

第二节国内外运载火箭贮箱结构与材料发展状况7

第三节国内外运载火箭贮箱制造工艺发展状况13

第四节可重复使用运载器贮箱性能要求16

第五节运载火箭贮箱未来发展趋势21

第六节2016-2020年国内外运载火箭贮箱行业市场容量分析34

一、中国运载火箭贮箱行业市场容量分析34

二、全球运载火箭贮箱行业市场容量分析35

第七节2021-2026年国内外运载火箭贮箱行业市场容量预测35

一、中国运载火箭贮箱行业市场容量预测35

二、全球运载火箭贮箱行业市场容量预测36

 

第二章国内外运载火箭贮箱结构设计37

第一节一次性使用低温贮箱热防护设计37

一、内绝热式37

二、氦吹洗泡沫外绝热式39

三、密封泡沫外绝热式40

第二节重复使用运载器低温贮箱热防护系统41

第三节火箭贮箱内衬设计43

第四节火箭贮箱弹性层设计44

第五节火箭贮箱大温差泡沫夹层共底设计44

一、夹层共底结构设计45

二、夹层材料选择46

第六节大型共底贮箱结构优化47

第七节无金属内衬碳纤维夏合材料贮箱抗渗漏设计52

一、纳米材料掺杂增强52

二、树脂基体改性增韧55

三、铺层结构优化设计57

第八节低温推进剂贮箱大面积冷屏结构59

第九节火箭贮箱结构健康监测传感器系统设计62

第十节网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计74

第十一节火箭贮箱增压控制技术89

 

第三章国内外运载火箭贮箱材料100

第一节火箭贮箱高强度铝锂合金材料100

第二节火箭贮箱超低温用碳纤维增强树脂基复合材料106

一、含金属内衬碳纤维复合材料贮箱106

二、无金属内衬碳纤维复合材料低温贮箱108

第三节火箭液氧贮箱用聚合物基复合材料109

一、环氧树脂109

二、氰酸酉树脂110

第四节火箭低温贮箱绝热防护材料111

一、聚氨酯泡沫111

二、聚甲基丙烯跳亚胺(PMI|泡沫115

第五节火箭液氧贮箱用复合材料的测试116

一、材料与LO2的相容性116

二、低温力学性能120

三、复合材料热循环寿命分析120

四、气密性121

 

第四章国内外运载火箭贮箱制造技术122

第一节高强度铝锂合金火箭贮箱成型工艺122

一、瓜瓣成型125

二、旋压成型封头顶盖136

三、叉型环139

四、箱体壁板140

五、近成型件性能142

六、锻造性能143

第二节高强度铝锂合金火箭贮箱搅拌摩擦焊接工艺144

一、先进搅拌摩擦焊技术144

二、运载火箭铝合金贮箱全搅拌摩擦焊接工艺现状145

第三节复合材料火箭贮箱成型技术147

一、热固化成型147

二、电子束固化成型148

三、复合材料自动铺放技术149

第四节火箭贮箱大温差泡沫夹层共底加工工艺156

一、薄壁面板搅拌摩擦焊工艺156

二、泡沫夹芯仿形加工158

三、共底胶接装工艺162

四、夹层共底性能165

第五节贮箱绝热层打磨机器人系统166

第六节基于滚动环的贮箱吊运翻转工艺176

一、工艺过程分析177

二、结构强度分析178

第七节火箭贮箱检验181

一、光纤光栅传感器测量贮箱筒段轴压试验的应变181

二、无损x光检验贮箱完整性188

三、贮箱承压性检验188

四、贮箱气密性检验189

 

第五章国内外运载火箭贮箱性能分析与数值模拟190

第一节火箭贮箱流固耦合分析190

第二节液体火箭贮箱增压排液过程温度场数值研究198

第三节液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟208

第四节基于数据驱动的运载火箭贮箱故障诊断方法224

第五节重复使用运载器低温贮箱结构疲劳寿命与可靠性分析233

第六节高压射流冲击对贮箱结构的影响247

第七节充注率及氦气增压对低温贮箱热分层特性影响258

第八节火箭贮箱排气对开式加注精度的影响268

第九节低温液氧贮箱晃动过程的热力耦合特性275

 

第六章国内外重点运载火箭贮箱结构290

第一节美国土星一5号运载火箭290

第二节美国宇宙神5号运载火箭295

第三节美国德尔塔运载火箭297

第四节美国SLS297

第五节美国Falcon9303

第六节俄罗斯能源号火箭307

第七节俄罗斯安加拉号系列火箭308

第八节欧洲阿里安5号火箭.310

第九节日本H2B运载火箭313

第十节中国长征五号运载火箭314

第十一节中国长征六号运载火箭316

第十二节中国长征七号运载火箭317

第七章国内运载火箭贮箱发展水平评估与发展建议322

 

来源:北京普华有策信息咨询有限公司