近日，我國首個3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱在火箭院誕生，經各環節試驗檢測合格且性能良好，初步具備工程應用條件。該貯箱採用了第三代高性能鋁鋰合金，與當前國際主流鋁銅合金貯箱相比，強度提升30%左右，同等條件下結構減重15%以上。這標誌著我國已打通國際一流貯箱研製鏈路，運載火箭研製水平實現新跨越。
▲ 3350直徑鋁鋰合金貯箱工程樣機下架
鋁鋰合金貯箱在國際上技術領先
在我國航天界有這樣一句話：「運載火箭的能力有多大，中國航天的舞臺就有多大」，但在貯箱研製人員中，這句話前還會加半句：「貯箱有多大，運載火箭就有多大」。
「這個『大』是廣義概念，不僅指貯箱的直徑，還泛指貯箱的強度、剛度和結構效率。」3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱研製人員、總體設計部火箭貯箱設計師胡正根說，「我國運載火箭貯箱已形成7種直徑、3代材料組成的10餘種類型。」
按照直徑劃分，有1米級、2.25米級、3米級、3.35米級、5米級、7.5米級和9.5米級運載火箭貯箱；
按照材料劃分，有第一代鋁鎂合金貯箱、第二代鋁銅合金貯箱和第三代鋁鋰合金貯箱。
在一枚新的火箭設計過程中，設計師會將不同直徑的不同材料靈活組合，研製出尺寸、材料、成本等不同的多種貯箱，如1米級鋁銅合金貯箱、2.25米級鋁鎂合金貯箱等，滿足不同運載任務的需求。
第三代鋁鋰合金貯箱的問世，是我國運載火箭結構效率和運載能力進一步提升的重要標誌。胡正根說，目前僅美國太空梭、法爾肯和前蘇聯能源號等運載火箭，在貯箱結構上大面積使用了鋁鋰合金，這使其結構效率和運載能力達到國際領先水平，代表了運載火箭貯箱的發展方向。從2018年起，我國鋁鋰合金火箭貯箱研製全面啟動，火箭院以相關型號任務和課題研究為牽引，投入第三代鋁鋰合金貯箱研製全流程技術攻關。
突破八大關鍵技術
相對於傳統鋁銅合金，鋁鋰合金強度和剛度顯著提升，密度卻下降了3%-5%，是當前國際航天大國爭相開拓的領域。
優異的性能往往需要頂級的製造技術。貯箱佔箭體結構重量和空間50%以上，其內部加注的燃料佔火箭總重90%以上，可以說，加注後的火箭能否穩定起飛，貯箱性能穩定性是核心要素之一。
鋁鋰合金恰好符合火箭貯箱的各種性能要求，胡正根介紹，鋰是元素周期表中最輕的金屬元素，在鋁中每加入1%的鋰，密度降低3%，彈性模量反而提升6%，這對運力按克重計算價格的火箭來說彌足珍貴。
但鋁鋰合金材料各向異性強、屈強比高、鋰原子活潑，給結構設計、構件成形和焊接都帶來了巨大挑戰。哪個環節稍有不慎就會前功盡棄。火箭院總體設計部集合當前國內尖端力量，與天津航天長徵火箭製造有限公司、航天材料及工藝研究所、中南大學、西南鋁業（集團）有限責任公司、江蘇豪然噴射成形合金有限公司等強強聯合，從原材料成分優化、結構設計、構件成形、裝配焊接等方面入手，開展全流程全要素研發。
▲ 鋁鋰合金貯箱生產現場
2018年至今，項目團隊突破了成分優化控制、輕質化設計、形變熱處理、整體旋壓、攪拌摩擦焊等8大關鍵技術，一鼓作氣打通了鋁鋰合金貯箱的研製鏈路，實現了我國首個3.35米直徑鋁鋰合金貯箱高精度高性能設計製造。
貯箱設計製造研究還牽引了整體成形技術的進步。如，整體旋壓和整體環軋技術的突破，實現了箱底由頂蓋+多塊瓜瓣的拼焊向整體成形無焊縫轉變，大幅度減少了貯箱焊縫，保證了產品可靠性，同時縮減了生產工序，提高了生產效率。
▲ 整體旋壓成形3350直徑鋁鋰合金貯箱箱底
火箭運載能力將顯著提升
運載能力是衡量火箭價值的核心指標之一，一枚火箭運載的衛星等有效載荷越重，它的運載能力、價值越大。以長徵七號運載火箭（簡稱「長七火箭」）為例，火箭起飛質量約597噸，能將不低於14噸的有效載荷送入近地軌道，14噸就是長七火箭近地軌道運載能力。
在597噸的起飛質量中，火箭自身的重量佔起飛重量的97%以上。不難看出，火箭自重與其運載能力是「此消彼長」關係，火箭自重越輕，能讓給衛星等有效載荷的重量就越多，而貯箱結構重量佔箭體結構總重的50%以上，是降低結構重量、提高火箭運載能力的關鍵。
那麼，一枚火箭上有十幾個貯箱，全換成鋁鋰合金貯箱，是不是能實現運載能力和價值最大化？
「與火箭的運載能力相比，發射成本也是衛星等有效載荷用戶最關注的因素。鋁鋰合金材料成本遠高於鋁鎂合金和鋁銅合金。」胡正根說，「以噸為單位，鋁鎂合金的價格在6萬元左右，鋁銅合金的價格在10萬元左右，而現在鋁鋰合金的價格則高達30-100萬元。」
好鋼要用在刀刃上。胡正根說，火箭飛行高度不同，所需的掙脫地球引力的力氣也不同，起飛階段需要的力氣最大，進入太空後需要的力氣最小。經過專家測算，給火箭末級減重1公斤，就相當於火箭運載能力增加1公斤。因此，將鋁鋰合金貯箱應用在火箭末級的效益最高，當前國際上的航天強國，也都將鋁鋰合金貯箱應用於火箭末級上，實現運載能力的顯著提升。
火箭院總體設計部結構室主任劉觀日介紹，我國3.35米鋁鋰合金貯箱將主要應用在新一代運載火箭末級，提升長徵五號、長徵七號、長徵八號等火箭結構效率和運載能力，大幅增強我國深空探測能力和水平，同時為更大直徑的重型火箭和新一代載人火箭研製奠定基礎。
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來源：中國運載火箭技術研究院
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