貯箱減重30%，火箭飛得更高、載得更重

       占全箭結(jié)構(gòu)重量60%以上的貯箱，堪稱是火箭身上的“大塊頭”部件。貯箱越輕，意味著火箭可搭載的有效載荷越多，火箭的運(yùn)載能力越強(qiáng)，因此貯箱的重量一直讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們“斤斤計(jì)較”。

       近年，從傳統(tǒng)鋁銅合金到高強(qiáng)鋁鋰合金，貯箱結(jié)構(gòu)材料的迭代不斷助力火箭實(shí)現(xiàn)減重“小目標(biāo)”，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從2016年開(kāi)始，805所結(jié)構(gòu)專業(yè)團(tuán)隊(duì)就將目光放在具有更高力學(xué)性能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料上，并開(kāi)展了相關(guān)方案論證工作。

       設(shè)計(jì)師介紹說(shuō)，復(fù)合材料的比強(qiáng)度通常可以提高50%以上，相比金屬貯箱可減重30%；且可通過(guò)一體化設(shè)計(jì)方法，大幅簡(jiǎn)化制造流程和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，達(dá)到降本增效的顯著成果。“新一代運(yùn)載火箭，若能減重30%，則火箭運(yùn)載能力將會(huì)提升6%，也就是說(shuō)，火箭可以多搭載300公斤的載荷，這對(duì)于運(yùn)力價(jià)格以克計(jì)的運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)可謂意義重大。”805所運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師陳佳解釋道。
 

       雖然復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，能夠達(dá)到降本增效的效果，但它作為火箭貯箱來(lái)說(shuō)，卻有兩個(gè)不容忽視的缺點(diǎn)，就是極易與液氧發(fā)生劇烈反應(yīng)，同時(shí)易出現(xiàn)低溫微裂紋滲漏，給貯箱的安全性帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于以液氧、液氫等作為推進(jìn)劑的我國(guó)新一代運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，是一個(gè)亟待解決的難題。

       有難度才有挑戰(zhàn)，敢創(chuàng)新才有發(fā)展。805所的設(shè)計(jì)師們積極推動(dòng)多學(xué)科融合，將卡脖子清單變?yōu)橐豁?xiàng)項(xiàng)攻關(guān)清單，歷時(shí)5年攻克了耐液氧材料開(kāi)發(fā)、低溫抗?jié)B漏設(shè)計(jì)、低溫密封設(shè)計(jì)、可重復(fù)模具制備、低缺陷制造等10余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料液氧貯箱領(lǐng)域多個(gè)“從0到1”的突破。

       比如，團(tuán)隊(duì)通過(guò)為期1年的集中攻關(guān)，攻克了高性能耐液氧樹(shù)脂材料的制備技術(shù)，使材料強(qiáng)度提升約50%，且適用于自動(dòng)鋪絲及纏繞等先進(jìn)制造工藝，為液氧貯箱輕量化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；通過(guò)開(kāi)展低溫密封試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)首次突破了直徑600mm級(jí)復(fù)合材料法蘭低溫液氧密封技術(shù)，解決了復(fù)合材料液氧貯箱的低溫密封難題；采用抗?jié)B漏冗余設(shè)計(jì)，在貯箱表層增設(shè)了一層輕薄隔離層，把“漏網(wǎng)”的推進(jìn)劑分子牢牢拴住，大幅提升了復(fù)合材料液氧貯箱的應(yīng)用可靠性。

       2021年4月20日，805所開(kāi)展了3.35米直徑復(fù)合材料液氧貯箱低溫110%使用壓力試驗(yàn)，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果得以集中驗(yàn)證，產(chǎn)品性能表現(xiàn)良好。

       10余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻克打破了以往復(fù)合材料極少涉足于低溫密封領(lǐng)域的局面，國(guó)內(nèi)首次低溫力學(xué)試驗(yàn)的成功，更是表明了805所在大型復(fù)合材料液氧貯箱的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)上取得了實(shí)質(zhì)性突破，這使得復(fù)合材料液氧貯箱于“十四五”在我國(guó)新一代運(yùn)載火箭上實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的目標(biāo)變得現(xiàn)實(shí)可行。