貯箱減重30%，火箭飛得更高、載得更重

       占全箭結(jié)構(gòu)重量60%以上的貯箱，堪稱是火箭身上的“大塊頭”部件。貯箱越輕，意味著火箭可搭載的有效載荷越多，火箭的運載能力越強，因此貯箱的重量一直讓結(jié)構(gòu)設(shè)計師們“斤斤計較”。

       近年，從傳統(tǒng)鋁銅合金到高強鋁鋰合金，貯箱結(jié)構(gòu)材料的迭代不斷助力火箭實現(xiàn)減重“小目標(biāo)”，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從2016年開始，805所結(jié)構(gòu)專業(yè)團隊就將目光放在具有更高力學(xué)性能的碳纖維增強復(fù)合材料上，并開展了相關(guān)方案論證工作。

       設(shè)計師介紹說，復(fù)合材料的比強度通?？梢蕴岣?0%以上，相比金屬貯箱可減重30%；且可通過一體化設(shè)計方法，大幅簡化制造流程和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，達到降本增效的顯著成果。“新一代運載火箭，若能減重30%，則火箭運載能力將會提升6%，也就是說，火箭可以多搭載300公斤的載荷，這對于運力價格以克計的運載火箭來說可謂意義重大。”805所運載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計師陳佳解釋道。
 

       雖然復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，能夠達到降本增效的效果，但它作為火箭貯箱來說，卻有兩個不容忽視的缺點，就是極易與液氧發(fā)生劇烈反應(yīng)，同時易出現(xiàn)低溫微裂紋滲漏，給貯箱的安全性帶來巨大風(fēng)險。這對于以液氧、液氫等作為推進劑的我國新一代運載火箭來說，是一個亟待解決的難題。

       有難度才有挑戰(zhàn)，敢創(chuàng)新才有發(fā)展。805所的設(shè)計師們積極推動多學(xué)科融合，將卡脖子清單變?yōu)橐豁楉椆リP(guān)清單，歷時5年攻克了耐液氧材料開發(fā)、低溫抗?jié)B漏設(shè)計、低溫密封設(shè)計、可重復(fù)模具制備、低缺陷制造等10余項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)合材料液氧貯箱領(lǐng)域多個“從0到1”的突破。

       比如，團隊通過為期1年的集中攻關(guān)，攻克了高性能耐液氧樹脂材料的制備技術(shù)，使材料強度提升約50%，且適用于自動鋪絲及纏繞等先進制造工藝，為液氧貯箱輕量化打下堅實基礎(chǔ)；通過開展低溫密封試驗，國內(nèi)首次突破了直徑600mm級復(fù)合材料法蘭低溫液氧密封技術(shù)，解決了復(fù)合材料液氧貯箱的低溫密封難題；采用抗?jié)B漏冗余設(shè)計，在貯箱表層增設(shè)了一層輕薄隔離層，把“漏網(wǎng)”的推進劑分子牢牢拴住，大幅提升了復(fù)合材料液氧貯箱的應(yīng)用可靠性。

       2021年4月20日，805所開展了3.35米直徑復(fù)合材料液氧貯箱低溫110%使用壓力試驗，各項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果得以集中驗證，產(chǎn)品性能表現(xiàn)良好。

       10余項關(guān)鍵技術(shù)的攻克打破了以往復(fù)合材料極少涉足于低溫密封領(lǐng)域的局面，國內(nèi)首次低溫力學(xué)試驗的成功，更是表明了805所在大型復(fù)合材料液氧貯箱的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)上取得了實質(zhì)性突破，這使得復(fù)合材料液氧貯箱于“十四五”在我國新一代運載火箭上實現(xiàn)工程應(yīng)用的目標(biāo)變得現(xiàn)實可行。