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我国研制出世界最大直径的液氧煤油共底贮箱

共底贮箱,顾名思义,就是两个贮箱有一个共用的底。从外形上看,共底就像一根腰带,系在两个火箭贮箱之间。实际上剖开来看,它是一个类似半球的结构件,通过最外部的两个腰带将两个贮箱连接起来。


 

贮箱共底

前不久,火箭院总体设计部,研制出5米直径液氧煤油共底贮箱。试验结果显示,贮箱中的共底结构稳定,能有效隔离上下两个贮箱近200度的温差,初步具备应用于未来新型火箭的条件。该共底贮箱研制负责人杨瑞生介绍,世界最大直径液氧煤油共底贮箱在火箭院诞生。

两个贮箱共用一个底的好处是什么?

降低火箭高度,让火箭更稳定。对于火箭而言,只有“身高”和“腰围”的比例在合适的范围内,它才更结实。因为,火箭在高空飞行时,需要抵抗很大的“高空风”,如果火箭结构太细长,就有在高空风中拦腰折断的风险。

“5米直径火箭液氧煤油共底贮箱”研制负责人杨瑞生介绍,“共底”的应用,可以解决既要让火箭携带足够的燃料,又不让火箭太细高的矛盾。两个贮箱使用三个底,能优化火箭‘长径比’,让火箭结构更稳定。

减少火箭“自重”,送更重的卫星上天。火箭起飞和飞行时,要用很大力气“挣脱”地球引力,才能飞上太空、将卫星送入预定轨道。

杨瑞生说,在保证火箭各项功能的前提下,火箭“自重”越轻越好。这样,就能携带更多燃料、有更大的力气飞行。“共底”就是一个良好的解决方案,减掉了两个箱子中间的一大块“赘肉”,火箭能“让”出更多起飞重量给卫星,卫星的设计师就能给卫星增加更多的功能,让它在太空中完成更多的使命。

研制“共底贮箱”,难在哪里?

“共底”要既能“隔温”又能“受力”。火箭的燃料有常温推进剂、低温推进剂等,在火箭飞行时,对应的发动机、管路等,都需要在合适的温度下才能正常工作。

杨瑞生说,两个贮箱紧紧挨在一起,上下两个贮箱中推进剂的温度相差200余度,“共底”最重要的作用之一就是隔离这个温差。除了要隔热外,“共底”还要承受几种载荷:一是大温差引起的变形不协调造成的温度载荷;二是上面贮箱推进剂的重量以及将贮箱中推进剂推到发动机中的增压压力;三是由火箭推力、自重、拐弯等引起的力的传递,这个力可以达到数百甚至千吨级,也是业界常说的“轴向力”。而更难的就是,这几种力在火箭飞行时将“共同发力”,设计师要处理好这种耦合关系。


 

 厂房里的共底贮箱

为此,研制人员采用“国产高性能泡沫和金属箱底”组成“夹层”结构,通过多轮力热耦合分析叠代设计,确定了合理的结构参数,使共底可以承受内外压载荷及温差引起的变形协调载荷;同时,创新性地通过多点独立连接的方案,解决了5米大直径共底夹层结构的精确装配、大轴压载荷传递等难题,让共底能够承受及传递数百吨的载荷。

建设5米级共底贮箱生产工艺及保障条件

如此大直径的共底贮箱,需要生产制造能力的跨越。要有更大的加工设备,确保产品与设计参数吻合,且必须有一套成熟的加工工艺。但在此之前,我们国家只有3米直径的共底贮箱的研制条件,从3米跨越至5米,研制难度较高。

杨瑞生介绍,大直径共底结构对制造工艺、设备等要求很高。因为共底上下底尺寸很大、金属壁很薄。在生产时,各种零件通过焊接装配在箱底,焊接难度巨大。为此研制团队开发出“单面单层变极性氩弧焊工艺”,获取了焊接关键参数,克服了这一难题。


 

试验中的共底贮箱

同时,共底“隔温”的夹层结构采用的是复合材料,其粘接质量直接影响共底结构承载能力,但层层粘接的纤维布之间极容易出现气泡、脱粘等问题,为此,研究团队开发出“大厚度双曲率PMI泡沫稳定成型以及高精度仿形加工工艺”,控制了粘接间隙,突破了大尺寸共底贮箱复合材料粘接强度技术难关。

在研制过程中,多家高校在夹层结构样件力学响应分析、验证试验全流程模拟分析方面提供了技术支持。后续,该共底贮箱将进一步提升设计可靠性和工艺稳定性,并开展应用的液氢液氧环境的适应性试验。在此基础上,一大批创新性技术还将进行军民融合转化,拉动和促进国民经济的发展。