記者 | 韓沁珂
上世紀90年代，中國主力火箭——長三甲系列運載火箭採用的新型大推力氫氧發動機曾遇到大噴管焊接難題。難點之一是夾層噴管的全部焊縫長度近900米，噴管管壁僅為0.33毫米，焊槍多停留0.1秒就有可能把管子燒穿或者焊漏。
當時，焊接技師高鳳林憑藉自己的技術和經驗，用了一個多月，完成了大噴管的手工焊接。
火箭發動機是火箭最重要的組部件，有火箭「心臟」之稱。噴管位於火箭發動機推力室中，負責將推進劑燃燒產生的高溫、高壓燃氣的熱能轉化為動能，它直接影響發動機的比衝性能。
近年來，商業航天加速發展，低成本低、短周期、可批量化生產逐漸成為追求方向。人工焊接耗時數月的生產周期，及對專家技師的高度依賴，並不適應市場對於量產的需求，火箭企業開始探索機器人焊接工藝。
日前，民營航天企業北京藍箭空間科技有限公司（下稱藍箭航天）公布了一套雷射焊接夾層噴管工藝，由機器人進行雷射焊接。目前，採用該工藝的「天鵲」（TQ-12）80噸發動機噴管已成功下線。
據藍箭航天工作人員介紹，TQ-12發動機噴管的直徑1米以上，採用機器人進行雷射焊接，用時僅為兩天。隨著後續工藝進一步成熟，焊接時間或壓縮至10小時內，製造周期和成本僅為傳統的噴管制造工藝的1/10左右。
TQ-12是藍箭研製的首臺80噸液氧甲烷發動機。其推力室設計工作於去年3月完成，六個月後，完成了短噴管推力室的20秒短程點火試車。今年1月，TQ-12燃氣發生器完成首輪點火試車。
噴管在大推力液體火箭發動機工作過程中，需要承受燃氣劇烈的高溫加熱，每平方米感受到的熱量接近於太陽表面。人類目前掌握的最好耐高溫金屬材料也無法承受如此巨大的熱流。
因此，工程師們將噴管的結構做成夾層，讓推進劑在進入燃燒室前，先在夾層裡高速流動，帶走熱量，從而保證噴管不被燒毀。
火箭發動機噴管示意圖 圖片來源：網絡這種再生冷卻噴管需要具有足夠的結構強度和剛度，以承受發動機軸向的推力、內部的液壓、強烈的震動；還需要足夠輕的重量，以提高發動機推重比；以及最優的型面精度，以使燃氣以最優的方式膨脹，獲得最高的比衝。
在目前的工程應用中，夾層式噴管結構主要有波紋板式、銑槽式和管束式等三種。
其中，管束式結構，按管子的排列形式來分，可分為直列式和螺旋式。藍箭航天採用的為螺旋管束式結構，數百根管壁厚度約3毫米的合金管，以改變螺旋升角的方式被焊接在一起。
噴管橫截面示意圖 圖片來源：網絡「我們不僅需要考慮技術本身的成熟度，也要考慮這一工藝配套設備的供應情況。製造成本是否低廉，研製周期是否夠短，以及能否實現標準化、自動化，是否節能環保等。」藍箭航天高級工程師袁宇表示。
在對真空加壓釺焊、擴散焊、雷射焊等多種工藝進行比較分析，以及對相關設備企業進行調研後，藍箭航天的研究團隊最終選擇了雷射焊接夾層噴管工藝。
該工藝具備多種優勢，包括焊縫強度高、承壓能力強、自動化程度高、焊接速度快、能在大氣環境操作等。但在此之前，國內尚無該技術研究基礎，國際上也無相關型號的成熟產品。
機器人正在焊接火箭發動機噴管 圖片來源：藍箭航天袁宇稱，在過去的一年多時間裡，研究團隊從最基本的焊接試驗做起，完成了多項試驗。為解決噴管焊接過程中的變形、移位問題，多次對焊接順序和工藝參數進行調整，以尋找最優方案。「下一步，我們的工作就是多焊，積累更多數據，儘早暴露並解決潛在問題。」袁宇表示。
火箭發動機噴管 圖片來源：藍箭航天
藍箭航天目前已與雷射裝備製造集團合作建成了整套機器人雷射焊接設備。通過使用大型噴管機器人，完成全自動雷射焊接。
該設備最大焊接功率8000瓦，最大可焊深度10毫米，最大可焊直徑接近2米，適應各類不鏽鋼、高溫合金、鋁合金、銅-鋼異種金屬等的焊接。