深空网：本文是由首都航天机械公司刘欣教授等人撰写的论文，供您参考：
3 我国运载火箭箭体结构及氢氧发动研制概况
我国已研制生产了CZ-2F载人、长征三号甲系列运载火箭，均采用不同型号的氢氧发动机。火箭箭体结构及氢氧发动机不断进行了产品结构制造改进，深化、细化产品质量控制有效措施。如贮箱自动化焊接水平显著提高，低温贮箱箱底实现了近无缺陷自动化焊接。搅拌摩擦焊接FSW贮箱纵缝、箱底空间曲线先进焊接技术研究实现突破。发动机螺旋管束式喷管延伸段实现了机器人自动化焊接，复杂结构焊接质量控制、低温密封涂层、涡轮转子特种加工、发动机装配试验技术等进行了可靠性改良。
我国新一代运载火箭研制也取得了重大进展，研制了大型贮箱制造装配工艺、焊接铣切一体化大型焊接装备，成功实现了直径5m、长20m一级氢箱的焊接装配及有关大型结构的研制。新一代运载火箭芯级新型氢氧发动机实现了长程全系统热试车考核，推力室、喷管、涡轮泵、阀门等关键件制造技术取得突破，研究应用了近净型旋压、精密加工、自动化焊接、钎
焊、真空电子束焊接、密封涂层、带叶冠转子特种加工等一系列新材料、新工艺、新装备技术。这些为我国重型运载火箭的研制提供了宝贵工程经验，也表明我国航天运输材料和制造技术体系较为齐全，装备制造能力达到了较高水平。但9m级大型箭体结构研制以及200t级氢氧发动机关键结构研制将带来材料、工艺、装备等新的重大挑战。需要加强制造技术研究，突破制造关键。
4 我国重型运载火箭箭体大型结构件制造关键技术
贮箱应用大宽度超低温用高强铝合金板材：重型运载火箭贮箱壁板材料将主要应用综合性能与工艺性好的 147 铝合金，研制运载火箭贮箱壁板、箱底瓜瓣和顶盖需要采用的大宽度板材等，可以减少贮箱筒段、贮箱箱底焊缝数量和长度，提高产品强壮性。试验分析研究不同规格材料对常低温性能以及焊接性能的影响，改善材料性能，更好控制生产过程，满足
产品设计使用要求。
超高强铝合金锻坯、型材、蒙皮等材料：抗拉强度在 500MPa 以上超高强铝合金可用于重型运载火箭9m 级直径承力铆接部段的蒙皮、长桁、承力梁、接头等。国外新一代民用飞机使用了7085、7055、新型铝锂合金等超高强铝合金。美国铝业公司研制的 7055（Al-Zn-Mg-Cu）系合金和热处理制度 T77，抗拉强度提高到 640MPa 以上，并具有高的断裂韧性和耐应力腐蚀性能。7055-T77 板材比 7075-T76 强度提高30%，可用作蒙皮、长桁、梁等。7085 锻件厚度可以达到 240mm。高性能超高强铝合金航空航天应用前景广阔。
大直径厚截面高强铝合金框环材料与工艺：贮箱箱底等部位将使用直径 9m 级 147 铝合金厚截面整体框环，整体框环采用环轧成形，性能优良，但铸锭生产、开坯、环轧、热处理等大型设施投资费用较大；框环分段制造、焊接组合、加工制造具有可行性，要进行 150mm 左右大厚截面框环结构高质量、高效率焊接工艺和装备等技术开发。
高性能铝锂合金板材、框环等材料与焊接技术：国内的高性能铝锂合金研究有一定基础，但仍然亟待进一步加强超低温下用宽幅板材、型材、框环、焊丝等工程技术开发。铝锂合金焊接及和其它牌号铝合金焊接技术等也是重点研究内容。
高性能 2195 铝锂合金具有高比强度、高比模量、低温性能优、低密度、可焊性较好的特点，是高效能运载火箭低温贮箱焊接结构、壳段铆接结构应用重要发展方向之一。美国 SpaceX 轨道公司的 Falcon 9 火箭贮箱直径 3.6m，使用 2198 铝锂合金全搅拌焊接技术、简化的贮箱壁板制造方案，该型号火箭有效载荷发射费用低，说明铝锂合金材料价格虽相对常规铝合金较高，但通过结构系统优化和制造工艺低成本技术开发，可实现运载火箭及发射的总体低成本。
大型铝合金钣金结构件成形：重型运载大型钣金结构件主要为箱底瓜瓣、贮箱筒段壁板、大型铆接壳段壁板、型材框、钣材框等。瓜瓣为椭球面，成形复杂要求高，成形工艺主要有压力机拉深成形、拉形机拉形、热蠕变成形等方法。随着贮箱箱底采用先进的自动化焊接、FSW 焊接技术，对瓜瓣成形精度要求更高，需要进一步研究采用技术经济性好的成形技术。贮箱筒段多为内网格加强等形式，传统工艺为壁板滚弯成型后化铣加工，再组合焊接，化铣工艺污染较大，除复杂蒙皮结构外不宜大量应用，需研究发展少污染高效率低成本制造技术。
贮箱焊接技术和工艺装备：先进搅拌摩擦焊接是大型火箭贮箱焊接装配的重要技术，弧焊技术由于成本低，需要结合结构和材料工艺研究发展自动化弧焊技术。贮箱箱底由瓜瓣、顶盖、整体框环等焊接而成。大型薄壁贮箱箱底需进行焊接工艺、专用工艺装备集成技术开发。直径 9m 级，长 20m 以上的贮箱是庞然大物，焊前装配和焊接质量控制是贮箱制造的重中之重。卧式装配厂房高度低，由于部段自重等原因，焊前装配调整难度大；需要大型卧式焊接装配型架，前、后支撑要同步均匀回转。立式焊接装配、部段装配相对易于实现，但工艺装备、厂房高度较高。超大型火箭贮箱环形焊缝装配需进行自动化弧焊、FSW 焊接、焊缝在位无损检测、在位焊接缺陷修补等工艺与装备集成技术研究，进行必要试验验证。
大型壳段铆接装配工艺与装备：大型有效载荷整流罩直径可达 9m 级，长度 20m 以上，2 或 4 瓣式分瓣制造，采取蜂窝轻质夹层壁板结构、采用对接接头形式，整流罩分瓣制造后对接分离装配要求高。需研究确定大型有效载荷整流罩装配工艺及大型专用装备，保证大型有效载荷整流罩装配要求。铝合金大型壳段为蒙皮壁板+骨架的结构，铆接工作量巨大，单个壳段有铆钉数万个，非常必要实现部段整体装配自动化铆接。壁板采用激光焊接或 FSW 焊接装配方式，可较好提高壁板整体刚性，提高生产效率，减轻结构重量。
高强高韧钛合金承力结构研制：应用高强度高韧钛合金材料可显著提高产品结构效率，高强高韧钛合金用于承力结构部位代替传统的超高强度结构钢制零件，可以减轻结构重量 20%～35%。如俄罗斯在飞机起落架等高承载力部位制造中广泛使用 BT22 钛合金（Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr，σb≥1100MPa）代替高强钢，减重显著。波音公司也已开始使用重量效率类似于 BT22 钛合金性能的 Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al）。
5 我国大推力氢氧发动机关键技制造术
新材料研制：材料技术是发动机关键零件质量保证的重要基础，保证材料性能及质量一致性至关重要，要加强新材料研制和进行不同使用环境性能分析研究工作，有关材料需要与 600℃高温富氢燃气、高压液氢和液氧等具有相容性。如高回转线速度、高温、点火冲击等环境下抗高应力低周疲劳高温合金涡轮转子涡轮盘坯料；燃烧室身部内壁高热导率、高温力学性能优的大尺寸新型铜合金厚板；高低温下工作的大直径高温合金与钛合金等无缝管材；高低温、高压条件下的特种静动密封材料和涂层技术等。
高温合金、钛合金等高承压复杂壳体精密成形：高温合金、钛合金等熔模精密铸造结合热等静压技术可实现高质量复杂结构的低成本制造，应用部位如阀门壳体、涡轮泵壳体，推力室头腔壳体及集液器、管路多通接头等。要求满足高内压（20MPa 以上）、超低温或高温等不同使用环境下壳体致密性和强度要求。高低温力学性能、焊接性能、基体密封性和高温合金铸造组织等关系较为密切，同时为减少铸造缺陷有必要对大尺寸复杂壳体类结构进行高温合金铸造组织控制和凝固过程的基础工艺研究。激光选区熔化成形（SLM）在中小型薄壁（成形壁厚可达到 0.2mm）结构具有较好的应用潜力，可适应“设计功能优先”的结构整体化、快速柔性化研制，在粉体制造和质量控制、成形工艺和无损检测评价、性能评价等方面要进行系统深入研究和验证试验。
大尺寸涡轮转子及轴系零件高质量制造：涡轮转子工作温度 600℃，泵端为液氢液氧超低温，并受发动机多次启动热冲击，工作转速达3 万转以上，转子工作寿命要达到3000s 以上，涡轮转子整体制造精度高，叶片加工复杂。高温合金涡轮转子直径尺寸加大，转子工作受力环境更为苛刻，保证涡轮转子锻坯组织与性能的一致稳定性至关重要，大尺寸转子锻造工艺难度加大。同时要研究转子及其轴系相关复杂精密零件成形、精密加工、特种涂层、装配试验等技术。难成形材料钣金成形：先进钣金成形可显著降低制造成本，且产品整体力学性能优异，和先进焊接等技术结合可实现复杂结构轻质化低成本制造。大尺寸新型高强高热传导率铜合金内壁燃烧室近净旋压成形，高温合金、钛合金等大直径小弯曲半径导管成形制造，钛合金、高温合金等难成形材料大尺寸空间曲面钣金结构热成形、复杂结构超塑成形等技术研究应用需要不断发展。
复杂结构精密加工：发动机所需流量增大数倍，阀门通径增大，壳体与传动结构复杂。大量使用高温合金、钛合金等难加工材料，使精密加工难度更大。泵体组合后要求同轴度为微米级。泵阀、发动机总装等高压、高低温环境静动密封性能要求高，零件加工精度和表面光洁度要求高。推力室、喷管延伸段等复杂空间曲面结构要采取壁厚有效控制加工技术。需重视产品精密数控加工和难加工材料加工技术发展，及有关泵阀零件的精密研磨、精密清洗等技术。推广先进数控机械加工装备的广泛应用。燃烧室和喷管延伸段制造：发动机燃烧室身部制造要结合已有技术优势和制造经验，一方面进行高效率、高质量电铸技术开发，同时有必要进行燃烧室身部和喷管延伸段高质量及高效率整体扩散钎焊技术研究和结构强壮再生冷却夹层喷管研制。真空深熔电子束焊接可一次焊透大厚度焊缝，且焊缝焊接力学综合性能优、结构变形小，有利于发动机性能的保证，提高焊接结构可靠性；自动化弧焊技术可适应复杂结构的连接需要。喷注器可靠钎焊技术、铜合金内壁抗高温高热流保护涂层等也是重点工作。
特种密封技术：高压、高低温工况下可靠密封对于大推力氢氧发动机是极其重要的。如泵、阀、推力室、导管等相互连接部位高压静密封结构密封件、氢氧泵轴系零件与壳体间高线速度下的动密封制造技术，阀门大流量带来大通径阀门等密封件成形、金属座表面强化等技术。
特殊装配试验：零部组件在很多情况下不仅要尺寸精度合格，还需满足发动机性能相关要求，以保证组件产品质量。如发动机喷嘴高压差动态大流量测量试验，燃烧室、喷管延伸段等复杂夹层结构高压强度与气密试验，大流量阀门性能测试技术与数字化试验台、高压静动密封装配与检测技术、涡轮泵轴系回转件高速动平衡配平与试验、泵阀部组件装配试验、发动机总装模块化装配数字化协调和装配试验技术等。
6 结束语
重型运载大直径火箭箭体结构、大推力氢氧火箭发动机研制将带来一系列与材料、结构和工艺、工艺装备等有关的新问题和关键制造技术，同时也将促进我国航天制造以及相关材料、装备制造业等行业部门的科学技术的进步。制造工艺是产品设计过程的重要组成部分。而对火箭箭体大型结构及大推力氢氧火箭发动机的技术挑战，要花大力气攻克高温合金、钛合金、铜合金、高强铝合金、铝锂合金、超高强铝合金、特种密封与涂层等不同规格新材料研制；攻克 9m 级产品制造大型机械加工、钣金成形、热处理、焊接装配和铆接装配非标准装备等装备制造技术；攻克 200t级大推力氢氧火箭发动机关键结构件制造工艺。一方面继承已有航天产品制造经验，集智攻关，与材料、装备等行业部门结合，综合考虑制造实现的系统性，研究技术经济性可行的产品结构和工艺，进行必要制造技术改进研究；同时要努力进行新材料与工艺技术创新，发展先进制造技术，突破制造关键，为型号产品研制和进一步改进奠定基础。
注：本文作者刘欣、王国庆、李曙光、刘琦 首都航天机械公司
延伸阅读：
· 重型运载火箭关键制造技术之一：国外研制情况 2013-4-16
