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直径|我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱诞生

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直径|我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱诞生
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铝锂合金火箭贮箱生产现场 。张玥 摄
近日 ， 我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在航天科技集团一院诞生 ， 经各环节试验检测合格且性能良好 ， 初步具备工程应用条件 ， 标志着我国已打通国际一流贮箱研制链路 ， 运载火箭研制水平实现新跨越 。
据悉 ， 该贮箱采用了第三代高性能铝锂合金 ， 与当前国际主流铝铜合金贮箱相比 ， 强度提升30%左右 ， 同等条件下结构减重15%以上 。
铝锂合金贮箱技术国际领先
在我国航天领域有这样一句话：“运载火箭的能力有多大 ， 中国航天的舞台就有多大” ， 但贮箱研制人员还会加半句：“贮箱有多大 ， 运载火箭就有多大 。 ”
“这个‘大’是广义概念 ， 不仅指贮箱的直径 ， 还泛指贮箱的强度、刚度和结构效率 。 ”一院3.35米直径铝锂合金火箭贮箱研制人员、总体设计部火箭贮箱设计师胡正根说 ， “我国运载火箭贮箱已形成7种直径、三代材料组成的10余种类型 。 ”
据悉 ， 按照直径划分 ， 贮箱有1米级、2.25米级、3米级、3.35米级、5米级、7.5米级和9.5米级运载火箭贮箱；按照材料划分 ， 有第一代铝镁合金贮箱、第二代铝铜合金贮箱和第三代铝锂合金贮箱 。 在火箭设计过程中 ， 设计师会将不同直径的不同材料灵活组合 ， 研制出尺寸、材料、成本等不同的多种贮箱 ， 满足不同运载任务的需求 。
第三代铝锂合金贮箱的问世 ， 是我国运载火箭结构效率和运载能力进一步提升的重要标志 。 胡正根说 ， 在贮箱结构上大面积使用铝锂合金 ， 可使其结构效率和运载能力大幅提升 ， 代表了运载火箭贮箱的发展方向 。
从2018年起 ， 我国铝锂合金火箭贮箱研制全面启动 ， 一院以相关型号任务和课题研究为牵引 ， 投入第三代铝锂合金贮箱研制全流程技术攻关 。
八大关键技术一一突破
相对于传统铝铜合金 ， 铝锂合金强度和刚度显著提升 ， 密度却下降了3%~5% ， 是当前国际航天大国争相开拓的领域 。
优异的性能往往需要顶级的制造技术 。 贮箱占箭体结构重量和空间50%以上 ， 其内部加注的燃料占火箭总重90%以上 。 可以说 ， 加注后的火箭能否稳定起飞 ， 贮箱性能稳定性是核心要素之一 。
铝锂合金恰好符合火箭贮箱的各种性能要求 。 胡正根介绍 ， 锂是元素周期表中最轻的金属元素 ， 在铝中每加入1%的锂 ， 密度降低3% ， 弹性模量反而提升6% ， 这对运力按克重计算价格的火箭来说弥足珍贵 。
但铝锂合金材料各向异性强、屈强比高、锂原子活泼 ， 给结构设计、构件成型和焊接都带来巨大挑战 ， 哪个环节稍有不慎就会前功尽弃 。 为此 ， 一院总体设计部集合当前国内尖端力量 ， 与211厂天津火箭公司、703所、中南大学、西南铝业（集团）有限责任公司、江苏豪然喷射成形合金有限公司等强强联合 ， 从原材料成分优化、结构设计、构件成型、装配焊接等方面入手 ， 开展全流程全要素研发 。
【直径|我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱诞生】2018年至今 ， 项目团队突破了成分优化控制、轻质化设计、整体旋压、搅拌摩擦焊等八大关键技术 ， 一鼓作气打通了铝锂合金贮箱的研制链路 ， 实现了我国首个3.35米直径铝锂合金贮箱高精度高性能设计制造 。
贮箱设计制造研究还牵引了整体成型技术的进步 。 如整体旋压和整体环轧技术的突破 ， 大幅度减少了贮箱焊缝 ， 保证了产品可靠性 ， 同时缩减了生产工序 ， 提高了生产效率 。
火箭运载能力将显著提升
运载能力是衡量火箭价值的核心指标之一 ， 一枚火箭运载的卫星等有效载荷越重 ， 它的运载能力、价值越大 。 火箭自重越轻 ， 能给予卫星等有效载荷的重量就越多 ， 而贮箱结构重量占箭体结构总重的50%以上 ， 是降低结构重量、提高火箭运载能力的关键 。
那么 ， 一枚火箭上有十几个贮箱 ， 全换成铝锂合金贮箱 ， 是不是能实现运载能力和价值最大化？
“与火箭的运载能力相比 ， 发射成本也是卫星等有效载荷用户最关注的因素 。 铝锂合金材料成本远高于铝镁合金和铝铜合金 。 ”胡正根说 ， “以吨为单位 ， 铝镁合金的价格在6万元左右 ， 铝铜合金的价格在10万元左右 ， 而现在铝锂合金的价格则高达30~100万元 。 ”
好钢要用在刀刃上 。 胡正根说 ， 火箭飞行高度不同 ， 所需的挣脱地球引力的力气也不同 ， 起飞阶段需要的力气最大 ， 进入太空后需要的力气最小 。 经过专家测算 ， 给火箭末级减重1公斤 ， 就相当于火箭运载能力增加1公斤 。 因此 ， 将铝锂合金贮箱应用在火箭末级的效益最高 ， 当可实现运载能力的显著提升 。
一院总体设计部结构室主任刘观日介绍 ， 我国3.35米铝锂合金贮箱将主要应用在新一代运载火箭末级 ， 提升火箭结构效率和运载能力 ， 大幅增强我国深空探测能力和水平 ， 同时为更大直径的重型火箭和新一代载人火箭研制奠定基础 。 （张娟娟） 来源：航天科技网站

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