記者 | 韓沁珂
上世紀(jì)90年代，中國主力火箭——長三甲系列運(yùn)載火箭采用的新型大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)曾遇到大噴管焊接難題。難點(diǎn)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(dāng)時(shí)，焊接技師高鳳林憑借自己的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，用了一個(gè)多月，完成了大噴管的手工焊接。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭最重要的組部件，有火箭“心臟”之稱。噴管位于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室中，負(fù)責(zé)將推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能。
近年來，商業(yè)航天加速發(fā)展，低成本低、短周期、可批量化生產(chǎn)逐漸成為追求方向。人工焊接耗時(shí)數(shù)月的生產(chǎn)周期，及對(duì)專家技師的高度依賴，并不適應(yīng)市場對(duì)于量產(chǎn)的需求，火箭企業(yè)開始探索機(jī)器人焊接工藝。
日前，民營航天企業(yè)北京藍(lán)箭空間科技有限公司（下稱藍(lán)箭航天）公布了一套激光焊接夾層噴管工藝，由機(jī)器人進(jìn)行激光焊接。目前，采用該工藝的“天鵲”（TQ-12）80噸發(fā)動(dòng)機(jī)噴管已成功下線。
據(jù)藍(lán)箭航天工作人員介紹，TQ-12發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的直徑1米以上，采用機(jī)器人進(jìn)行激光焊接，用時(shí)僅為兩天。隨著后續(xù)工藝進(jìn)一步成熟，焊接時(shí)間或壓縮至10小時(shí)內(nèi)，制造周期和成本僅為傳統(tǒng)的噴管制造工藝的1/10左右。
TQ-12是藍(lán)箭研制的首臺(tái)80噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。其推力室設(shè)計(jì)工作于去年3月完成，六個(gè)月后，完成了短噴管推力室的20秒短程點(diǎn)火試車。今年1月，TQ-12燃?xì)獍l(fā)生器完成首輪點(diǎn)火試車。
噴管在大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，需要承受燃?xì)鈩×业母邷丶訜?，每平方米感受到的熱量接近于太陽表面。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(jié)構(gòu)做成夾層，讓推進(jìn)劑在進(jìn)入燃燒室前，先在夾層里高速流動(dòng)，帶走熱量，從而保證噴管不被燒毀。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管示意圖 圖片來源：網(wǎng)絡(luò)這種再生冷卻噴管需要具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以承受發(fā)動(dòng)機(jī)軸向的推力、內(nèi)部的液壓、強(qiáng)烈的震動(dòng)；還需要足夠輕的重量，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比；以及最優(yōu)的型面精度，以使燃?xì)庖宰顑?yōu)的方式膨脹，獲得最高的比沖。
在目前的工程應(yīng)用中，夾層式噴管結(jié)構(gòu)主要有波紋板式、銑槽式和管束式等三種。
其中，管束式結(jié)構(gòu)，按管子的排列形式來分，可分為直列式和螺旋式。藍(lán)箭航天采用的為螺旋管束式結(jié)構(gòu)，數(shù)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(wǎng)絡(luò)“我們不僅需要考慮技術(shù)本身的成熟度，也要考慮這一工藝配套設(shè)備的供應(yīng)情況。制造成本是否低廉，研制周期是否夠短，以及能否實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，是否節(jié)能環(huán)保等?！彼{(lán)箭航天高級(jí)工程師袁宇表示。
在對(duì)真空加壓釬焊、擴(kuò)散焊、激光焊等多種工藝進(jìn)行比較分析，以及對(duì)相關(guān)設(shè)備企業(yè)進(jìn)行調(diào)研后，藍(lán)箭航天的研究團(tuán)隊(duì)最終選擇了激光焊接夾層噴管工藝。
該工藝具備多種優(yōu)勢，包括焊縫強(qiáng)度高、承壓能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、焊接速度快、能在大氣環(huán)境操作等。但在此之前，國內(nèi)尚無該技術(shù)研究基礎(chǔ)，國際上也無相關(guān)型號(hào)的成熟產(chǎn)品。
機(jī)器人正在焊接火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管 圖片來源：藍(lán)箭航天袁宇稱，在過去的一年多時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)從最基本的焊接試驗(yàn)做起，完成了多項(xiàng)試驗(yàn)。為解決噴管焊接過程中的變形、移位問題，多次對(duì)焊接順序和工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以尋找最優(yōu)方案?！跋乱徊剑覀兊墓ぷ骶褪嵌嗪?，積累更多數(shù)據(jù)，盡早暴露并解決潛在問題?！痹畋硎?。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管 圖片來源：藍(lán)箭航天
藍(lán)箭航天目前已與激光裝備制造集團(tuán)合作建成了整套機(jī)器人激光焊接設(shè)備。通過使用大型噴管機(jī)器人，完成全自動(dòng)激光焊接。
該設(shè)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(yīng)各類不銹鋼、高溫合金、鋁合金、銅-鋼異種金屬等的焊接。
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