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2021-01-22
我國首個(gè)3.35米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)誕生

1月22日,我國首個(gè)3.35米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)在航天科技集團(tuán)一院(火箭院)誕生。該貯箱主要應(yīng)用在液氧環(huán)境下,相比金屬貯箱可減重30%,強(qiáng)度更高,能夠大幅提高火箭的結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力,是一種新型輕質(zhì)貯箱。

復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)的誕生,標(biāo)志著我國打破國外壟斷,成為全球少數(shù)幾個(gè)具備復(fù)合材料貯箱設(shè)計(jì)制造能力的國家。

3.35米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)

突破十大關(guān)鍵技術(shù)

該項(xiàng)目是由火箭院總體設(shè)計(jì)部抓總,航天材料及工藝研究所與國內(nèi)多個(gè)高校共同參與的典型“產(chǎn)、學(xué)、研”聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目,研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年多,攻克了十大關(guān)鍵技術(shù)。

復(fù)合材料液氧貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

低溫復(fù)合材料細(xì)觀損傷力學(xué)分析技術(shù)

多尺度復(fù)合材料滲漏抑制技術(shù)

低溫液氧相容樹脂體系制備技術(shù)

分瓣式可拆卸復(fù)合材料工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)

復(fù)合材料工裝精確裝配技術(shù)

高精度自動鋪放技術(shù)

超薄預(yù)浸料制備技術(shù)

復(fù)合材料法蘭密封技術(shù)

復(fù)合材料可靠粘接密封技術(shù)

用于拆裝復(fù)合材料組合式工裝的型架

研制人員初體驗(yàn)

總體設(shè)計(jì)部貯箱組組長劉德博:“研制中要攻克從材料體系到設(shè)計(jì)制造一系列難題,許多技術(shù)都屬于國內(nèi)首次嘗試?!?/p>

總體設(shè)計(jì)部貯箱設(shè)計(jì)師張健:“制造工藝對復(fù)合材料性能影響較大,將該材料用于密封要求極高的推進(jìn)劑貯箱,特別是超低溫介質(zhì)貯箱是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。”

航天材料及工藝研究所工藝師張建寶:“箱體制造流程、工裝的制備、箱體成形、工裝拆除、密封檢測等均充滿巨大挑戰(zhàn),經(jīng)過十幾輪工藝及方案迭代才實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的成功制備?!?/p>

相比于金屬貯箱減重30%

貯箱作為火箭結(jié)構(gòu)重量占比最大的部段,其減重對火箭運(yùn)載能力的提升具有重大意義。

材料小知識

復(fù)合材料的密度為1.7g/cm3左右,鋁合金密度為2.8g/cm3,鋁鋰合金密度為2.7g/cm3,復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋁合金的8倍,是鋁鋰合金的6倍。

在航天領(lǐng)域,我國現(xiàn)役火箭的部分部段就大量采用復(fù)合材料,減輕了結(jié)構(gòu)重量。

復(fù)合材料與當(dāng)前火箭貯箱結(jié)構(gòu)采用的金屬材料相比,具有密度更小、比強(qiáng)度更高、抗疲勞強(qiáng)度更好等優(yōu)勢。相比于金屬貯箱,復(fù)合材料貯箱可以減重30%左右,可大幅降低結(jié)構(gòu)重量,提升火箭運(yùn)載能力。因此,發(fā)展復(fù)合材料貯箱是實(shí)現(xiàn)火箭減重目的的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是國際航天大國爭相探索的新領(lǐng)域。

3.35米直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)的成功研制,標(biāo)志著我國掌握了從復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備到成形制造的全鏈路技術(shù)流程,成為全球少數(shù)幾個(gè)具備復(fù)合材料貯箱設(shè)計(jì)制造能力的國家。

綜合成本降低25%

火箭運(yùn)載能力越大,進(jìn)入空間能力相對也會大幅提高,為中國航天開拓更大的舞臺。貯箱結(jié)構(gòu)重量占箭體結(jié)構(gòu)總重的50%以上,因此,貯箱輕量化是提高火箭運(yùn)載效率的重要途徑之一。

與應(yīng)用于液氫液氧環(huán)境下的金屬貯箱相比,復(fù)合材料貯箱主要應(yīng)用在特定的液氧環(huán)境下,可以用在火箭末級。據(jù)資料顯示,火箭末級貯箱每減重1公斤,意味著運(yùn)載能力提升1公斤。而且復(fù)合材料貯箱具有生產(chǎn)工序少、周期短等優(yōu)勢。從國外的研究成果來看,相比于金屬貯箱,采用復(fù)合材料貯箱可降低火箭綜合成本25%。

未來,復(fù)合材料貯箱在火箭末級推廣應(yīng)用,將能大幅提升火箭的運(yùn)載能力,對探索降低火箭成本具有深遠(yuǎn)影響。

復(fù)合材料貯箱自動鋪放工藝

原理樣機(jī)的成功研制只是我國復(fù)合材料貯箱技術(shù)發(fā)展邁出的一小步,只是其中的一個(gè)里程碑。

總體設(shè)計(jì)部結(jié)構(gòu)室副主任吳會強(qiáng)介紹,后續(xù)研制團(tuán)隊(duì)還將對3.35米復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)開展一系列的考核試驗(yàn)和評價(jià),進(jìn)一步開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),提升復(fù)合材料貯箱的技術(shù)成熟度,推進(jìn)復(fù)合材料貯箱在火箭上的應(yīng)用,真正發(fā)揮復(fù)合材料貯箱在輕質(zhì)高強(qiáng)方面的重大優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)未來火箭結(jié)構(gòu)大幅減重和運(yùn)載能力的提升,增強(qiáng)我國深空探測的能力和水平。