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液體火箭發動機制造技術特點及相應技術難點

來源:現代制造技術與裝備 作者:伍賽特
發布于:2021-02-07 共5827字

  摘要:目前, 以液體火箭發動機領域為代表的先進制造技術有著廣闊而美好的應用前景, 大力加快了我國航天事業發展進程。主要介紹了液體火箭發動機制造技術特點及相應技術難點, 并對其未來技術發展趨勢進行了展望。

  關鍵詞:液體火箭發動機; 制造技術; 航天;

  Abstract:At present, the advanced manufacturing technology represented by the field of liquid rocket engines has broad and beautiful application prospects, and has vigorously promoted the development of China's aerospace industry. This paper mainly introduces the technical characteristics of liquid rocket engine manufacturing and the corresponding technical difficulties, and forecasts its future technology development trend.

  Keyword:liquid rocket engine; manufacturing technology; aerospace;

先進制造技術

  液體火箭發動機是一種將液態化學推進劑作為能源的化學火箭發動機, 其主要用于運載火箭和各種航天器推進系統中[1].液體火箭發動機可根據用途、使用條件、推進劑供應方式及推進劑組元等進行分類。

  根據使用條件可將液體火箭發動機分為一次啟動發動機、二次重復啟動發動機、多次啟動發動機和多次使用發動機。根據發動機所用推進劑組元數目可將液體火箭發動機分為單組元發動機、雙組元發動機和三組元發動機。大多數液體火箭發動機屬于雙組元發動機。另外, 還可按照推進劑沸點將發動機分為常溫發動機和低溫發動機, 其中常溫發動機可在加注推進劑后長期進行貯存。

  1 液體火箭發動機制造技術特點

  液體火箭發動機主要功能是為運載火箭和各種飛行器提供動力。一種新型發動機的研制, 必須解決設計、材料、制造和試驗測試等一系列技術問題。其中, 制造技術占有非常重要的地位, 它是一項涉及技術相當廣泛的工作, 既包含了傳統鑄造、鍛造、鈑金、切削加工、熱處理、表面處理、焊接以及裝配等技術, 又包含了電火花加工、激光加工、電子束加工、離子束加工、超聲加工、超塑成形和特殊功能涂層等新工藝技術, 另外還涉及到尺寸測量、材料性能檢測、結構強度、氣密性以及無損檢測等多種類別檢測和試驗。

  為了能承載更多有效載荷, 并在太空條件下穩定工作, 發動機結構質量受到了嚴格限制。隨著運載器和飛行器性能進一步提高, 發動機要想在太空條件下長期穩定工作, 就必須在輕質和高可靠性方面加大開發力度, 進一步增加液體火箭發動機制造技術難度, 故形成了許多新的工藝。

  1.1 特殊性能新材料應用增加了制造技術難度

  運載火箭在穿越大氣層過程中, 力學和熱學環境會發生巨大變化, 許多在常溫大氣環境中性能優良的材料, 進入氣體稀薄的外層空間后會因為溫度升高而導致液體火箭發動機發生結構失效, 因此在實際設計制造中, 制造企業大量采用了高強度鋼、不銹鋼和高溫合金等難加工材料, 這雖然提升了發動機工作性能, 但無疑也增加了產品制造技術難度。

  例如發動機結構零件采用了多種不同牌號的奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼, 這些材料韌性大、熱導率小, 且切削加工時冷作硬化嚴重, 金屬屑容易粘附在刀刃上, 影響生產效率。

  1.2 輕質化要求增加了產品結構復雜程度

  發動機所能產生的推力與其自身質量之比稱為發動機的推質比。推質比越大, 發動機對火箭的有效推力就越大。不難看出, 發動機自身質量與推質比是呈反比關系的, 因此輕質化不僅是火箭對發動機的重點要求, 也是發動機設計和制造追求的重要目標。

  目前, 實現發動機輕質化的技術方法主要有三種:第一, 選擇比強度高的結構材料;第二, 盡可能將發動機的外形設計得緊湊一些, 減小主要結構件的結構尺寸;第三, 挖潛減重, 即在保證結構強度前提下盡量減少零件本體上的材料, 進行鏤空設計和制造。無論實施哪條技術途徑, 都要考慮制造技術水平的影響作用。

  推力室是完成推進劑混合和燃燒以及將化學能轉變為動能的組合件, 推力室頭部按特定要求裝配了大量燃料噴嘴和氧化劑噴嘴。對采用直流式噴注器的推力室頭部來說, 為了減輕結構質量, 可先在很薄的多個圓環上分組加工數千個噴嘴;然后將圓環與加工有多道環形通道的噴注器盤裝配在一起;最后采用釬焊方法將二者牢固地連接在一起。噴嘴加工精度決定了推進劑燃燒的穩定性和效率, 所以推進劑各環形內腔必須保證可靠隔離, 以防燃料和氧化劑之間出現滲漏, 引發爆炸事故。

  推力室身部采用輕質化再生冷卻結構, 對采用波紋板夾層冷卻結構的推力室由精密成形的內壁、外壁和波紋板釬焊而成。燃料進入推力室頭部之前, 先從推力室身部夾層的通道流過, 對內壁進行冷卻, 保證內壁在高溫、高壓及高速流動燃氣沖刷下不發生破壞?梢, 噴嘴和噴注器盤加工、內外壁和波紋板精密成形以及頭部和身部的裝配與釬焊, 都在一定程度上加大了產品結構復雜程度。

  渦輪泵是一種由燃料泵、氧化劑泵和渦輪組合設計在一起的同軸高速旋轉的組合件, 其結構復雜程度較高[2,3,4].為了適應流體力學性能、軸系轉動零件輪廓尺寸變化、不同工作內腔之間密封結構安裝以及結構減重等多方面需要, 渦輪泵殼體外形和內腔結構設計十分復雜。所以渦輪泵殼體鑄件對材料力學性能、尺寸精度、金屬致密性以及結構密封性提出了一系列嚴格要求, 需要在鑄造過程中給予全面保證。

  1.3 特種制造技術占有重要地位

  采用特殊性能新材料的輕質化產品, 仍需具備較高的可靠性, 這導致特種制造技術在液體火箭發動機制造中得到了廣泛應用[5].

  液體火箭發動機特種制造技術是一項綜合性概念, 主要指在鑄造、鍛造、焊接、熱處理、表面處理、高溫涂層以及電加工等特種專業工藝基礎上, 結合液體火箭發動機產品特點, 形成的一種特色制造技術。

  鑄造是指金屬在液態下成形凝固后得到鑄件的一種工藝方法。鑄造技術最突出的一個特點就是成形適應性好, 能制造出形狀復雜的毛坯和零件。渦輪泵是液體火箭發動機的重要組件, 為了滿足發動機性能和輕質化要求, 在發動機工作壓力不太高情況下, 燃料泵、氧化泵殼體采用鋁合金材料。由于零件對接面多、空腔多、壁厚變化大且幾何形狀復雜, 所以在此基礎上進行熱處理、無損檢測、切削加工、強度和氣密性檢查和表面處理, 可以得到符合要求的產品。

  鍛造是金屬壓力加工的基本方法之一, 其借助外加沖擊力和壓力使金屬產生塑性變形, 從而獲得一定形狀和尺寸的工件。鍛造工藝的優點是可以保證金屬晶粒組織細密, 有利于獲得力學性能高的零件。在發動機制造過程中, 重要的受力結構部位零件有渦輪盤、轉子、噴注器盤、噴嘴環和法蘭盤等, 可通過切削加工、無損檢測、熱處理以及表面處理等方法制成產品零件。

  為了降低復雜結構產品的制造難度和成本, 一般將其分割成一些相對簡單的零件分別制造, 然后再裝配成一個整體。在螺紋連接、鉚接、膠接和焊接多種連接方案中, 焊接因其結構緊湊、接頭強度高以及有利于保證密封性的優點, 成為了液體火箭發動機中的典型連接形式。一臺普通的大型液體火箭發動機上通常都有數千條焊縫, 除了在發動機導管、啟動器、蒸發器、降溫器和渦輪蓋等部件中廣泛采取焊接技術外;一些大型組合件, 如推力室、燃氣發生器和機架等更是選擇全焊結構, 充分保證了發動機連接可靠性, 大大降低了發動機結構質量。

  熱處理是一種方便有效的金屬強化方法;瘜W熱處理是將熱處理和化學作用結合起來, 目的是改變工件表層化學成分、組織和性能。熱處理和化學熱處理均屬于改性技術范疇, 在發動機零部件制造過程中通常安排為一個工序, 即根據材料種類和特點, 使零件改性達到規定組織和性能要求。表面處理不僅能起到裝飾作用, 還能提高材料耐磨、耐腐蝕性能及表面某種特定性能。因此, 發動機許多零部件會根據產品功能和使用要求, 進行化學鍍、金屬表面轉化膜處理、表面噴涂和電化學處理。

  近年來, 功能涂層在制造業中越來越受到重視。對于液體火箭發動機而言, 高溫涂層不但能夠解決稀薄大氣環境和真空環境下關鍵受熱部件可靠性問題, 還對發動機輕質化設計有著重要推動作用。因此功能涂層逐步發展成為一種獨立于傳統表面處理技術的新興技術。

  1.4 保證符合性要求的特色檢測技術

  為了確保產品固有可靠性特點, 在發動機制造過程中, 除了對零件原材料進廠、加工、組裝和試驗等過程進行嚴格控制外, 還需要對每道生產工序進行檢查確認, 保證實物與技術要求相符合。在產品檢驗過程中, 除一般物理和功能特性采用通用常規檢測手段和方法外, 還需應用特色檢測技術檢查發動機特殊要求的符合性, 保證產品檢測覆蓋性。

  1.4.1 多余物控制檢測技術

  在產品工作系統內, 由外部進入或由內部產生的與產品規定狀態無關的一切物質均被稱為多余物。多余物的存在通常會給發動機工作帶來災難性后果。為了確保發動機工作高可靠性和高安全性, 發動機工作腔、管路系統以及密封部位等均不允許有多余物存在。

  因此, 在產品制造過程中, 一般通過強化現場管理和量化過程記錄預防多余物的存在。采取技術手段進行檢查和確認是控制多余物的重要環節, 檢查多余物的方法通常包括目視檢查、放大鏡檢查、內窺鏡檢查、X射線透視檢查、粒子度檢查和轉動聽聲檢查等。為了更準確地判斷多余物是否存在, 可采用小波分析和神經網絡分析等先進技術, 對產品進行旋轉操作, 使多余物產生滑移或撞擊, 并對產生的各種音頻信號進行收集、分析、比較和處理, 最終確定有無多余物, 并初步確定多余物所在的位置范圍。

  1.4.2 推力室身部夾層釬焊縫質量檢測技術

  推力室身部一般制造成具有再生冷卻通道的波紋板夾層結構或內壁溝槽夾層結構。為了保證內、外壁之間連接強度及結構剛度, 多采用釬焊工藝將其牢固地連接成整體。身部釬焊成整體后, 釬焊縫處于封閉的夾層內, 無法通過外觀檢查直觀判斷焊接質量, 一般采用X射線拍照和影像分析法進行間接判斷。

  X射線檢查需要工件有一定的厚度差和密度差, 因此這種間接判斷存在一定不確定度。激光全息檢測技術能更準確地判斷薄壁結構的釬焊縫質量, 為推力室身部釬焊縫質量檢驗提供了更有效的技術支持。

  1.4.3 頭部噴注器小孔檢測技術

  噴注器是推力室的關鍵部件, 其功能是將燃料和氧化劑按照一定比例噴入燃燒室, 通過撞擊、霧化和混合, 進行迅速和充分燃燒。在直流式噴注器結構中, 為實現上述功能, 噴注器環上分別制有多組不同直徑的成對斜孔, 成對斜孔的中心線應在規定位置相交。測量斜孔中心線相交位置方法通常是在孔中插入測量銷棒進行接觸式測量, 或用三坐標測量機進行測量。當孔徑較小時, 接觸式測量受銷棒精度和測量桿可操作性限制, 此時測量精度會受到較大影響, 需要采用光學等先進檢測技術進行測量。

  2 液體火箭發動機未來先進制造技術及展望

  2.1 表面工程技術的發展趨勢

  根據運載火箭的飛行工作環境, 為確保液體火箭發動機不受環境溫度、振動、真空條件及宇宙輻射影響, 并在高溫、高壓、高速與振動等惡劣工況條件下正常穩定工作, 對發動機重要零部件表面的耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞以及防輻射等性能提出了更高要求。為了適應航天產品特殊要求, 需要加大表面工程技術改進力度。

  在單一表面工程技術發展的同時, 復合表面工程技術取得了重大進展, 如熱噴涂和激光重熔復合、熱噴涂與電刷鍍復合、化學熱處理與電鍍復合、表面涂覆強化與噴丸強化復合、鍍鋅式磷化與有機漆復合、滲碳與鈦沉積復合以及物理和化學相沉積等技術[6,7].

  隨著復合表面工程技術發展, 梯度涂層技術將會有較大的突破。另外, 利用納米技術也可提高材料表面性能, 并賦予其全新功能。在繼承傳統表面工程技術基礎上, 開發新技術, 將大力推動綠色環保再制造工程向功能化與智能化技術方向轉變。

  2.2 電加工等非傳統加工技術的發展趨勢

  電加工是一類非傳統加工技術, 該技術可利用電能、熱能、光能、電化學能、化學能、聲能及特殊機械能對材料進行加工, 從而實現材料變形、性能改變以及鍍覆等功能[8].

  隨著科學技術進步, 非傳統加工將向多功能、微細化、精密化和智能化方向發展, 力求達到標準化、系列化與模塊化的加工目的。同時, 非傳統加工向復合加工方向發展, 開發出了電解電火花加工、電解電弧加工以及放電誘導燒蝕加工等一系列新技術。除此以外, 非傳統加工依然會向綠色、環?沙掷m發展轉化, 微細、納米加工技術等成為主流技術, 并向著高質量、低消耗與無公害方向發展。

  2.3 熱成形技術發展趨勢

  科學技術的進步, 推動了新能源、新材料、新設備及信息自動化等技術的發展, 提升了成形技術, 主要體現在以下兩方面。

  2.3.1 鑄造技術方面

  隨著鑄造高壓、射壓造型、氣沖造型以及消失模造型等技術不斷開發和使用, 鑄造技術手段正在向CAD、CAM、凝固過程數值模擬、柔性制造系統及鑄造過程自動檢測方向不斷轉變。由于航天產品特殊性能要求, 具有特殊的電磁學性能、熱學性能和耐輻射性能的材料將不斷被開發和應用。

  增材制造是一種突破傳統的先進加工模式, 通常稱為3D打印技術。該技術在鑄造工程上的投入使用, 可以更加快速地制造出樹脂熔;蛱沾尚蜌, 簡化了熔模鑄造工序, 縮短了生產周期。

  2.3.2 鍛造技術方面

  通過改變應力狀態、降低流動應力以及減少接觸面等途徑, 可以開發出更多省力的工藝及設備。如機器人運動功能。另外, 采取等溫鍛造和粉末鍛造技術可提高成形精度;將精密模鍛、液態模鍛和超塑成形等技術與CAD、CAE、CAM技術進行有力結合, 可推動塑性成形技術發展, 實現產品工藝材料一體化。

  3 結論

  未來, 為了適應航天運載器發展需求, 以液體火箭發動機領域為代表的先進制造技術將會以摧枯拉朽之勢推進動力技術、先進材料與結構技術、先進信息和通信電子技術以及先進制造技術為代表的一批基礎和關鍵技術發展, 從而加快我國航天事業發展速度。

  參考文獻

  [1]伍賽特。核聚變火箭發動機的前景展望研究[J].節能, 2018, (11) :114-116.

  [2]伍賽特。艦用燃氣輪機動力裝置的前景展望[J].現代制造技術與裝備, 2018, (12) :204-206.

  [3]伍賽特。燃氣輪機應用于車用動力裝置的可行性分析研究[J].交通節能與環保, 2019, (1) :13-15.

  [4]伍賽特。燃氣輪機應用于坦克動力裝置的前景展望[J].機電產品開發與創新, 2018, (6) :54-56.

  [5]丁新玲。液體火箭發動機制造技術發展現狀[J].航天制造技術, 2005, (6) :13-17.

  [6]徐濱士, 劉世參, 史佩京。再制造工程和表面工程對循環經濟貢獻分析[J].中國表面工程, 2006, (1) :1-6.

  [7]龔寶明。金屬超聲表面滾壓加工納米化研究[D].天津:天津大學, 2008.

  [8]魏超。液體火箭發動機特種制造技術[M].北京:中國宇航出版社, 2014.

作者單位:上海汽車集團股份有限公司
原文出處:伍賽特.液體火箭發動機先進制造技術研究及展望[J].現代制造技術與裝備,2019(04):4-6.
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