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中国要造10米直径大火箭反超美国,就靠这一技术

讲武堂2018-12-05 16:34:38

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近日,央视播出了上海航天设备制造总厂研发搅拌摩擦焊设备并成功用于我国新型大型运载火箭的专题片。这只是中国搅拌摩擦焊设备近年来井喷式发展的缩影。事实上,中国正在建造各种高端制造设备,来冲击世界最大的10米直径重型火箭技术。



火箭的直径越大,就意味着能够承载更多的燃料和载荷,因此大直径已经成为重型火箭的重要特征。例如美国实施载人登月的土星五号重型火箭,就是10.1米(见上图)。然而10米直径火箭对加工制造技术提出了非常苛刻的要求。美国在冷战时期不计成本制造10米直径的土星5号火箭,但在冷战后已经无力开发此类技术,因此10米直径的战神5号重型火箭在2010年被取消,而现在进行的SLS重型火箭直径也降到了8.35米。



之所以难度大,就是因为现代航天需要高效率、低成本、灵活地进行重型火箭制造。这就对加工技术提出了新的要求,因此就有了搅拌摩擦焊设备等新技术的出现。该技术由于焊接温度未达到轻质合金熔点,可以有效避免轻质合金熔焊过程中易出现的气孔、夹杂、热裂纹等冶金缺陷,为轻质合金的焊接带来了革命性的变化(见上图)。而且搅拌摩擦焊设备非常容易实现自动化,不需要焊料,这都大大节省人力和成本,提高了效率。美国已经在1999年开始应用该技术制造运载火箭的驻箱。



上海航天设备制造总厂生产的搅拌摩擦焊设备,就是中国将该技术在长征五号火箭贮箱筒段生产上的工程化应用。所谓的火箭贮箱筒段,实际就是几块特种合金的薄板,通过搅拌摩擦焊设备的长直焊缝组合而成,然后再把多个筒段使用搅拌摩擦焊环形焊接连接在一起成为贮箱,贮箱再通过铝合金环件连接一起就成为火箭。


上海生产的是一种卧式搅拌摩擦焊设备,适用于5米以下直径火箭的制造。但是中国未来的重型火箭,要突破10米直径,必须采用新的大型垂直搅拌摩擦焊设备。为了这一目标,武汉重工集团为中国航天自主研发的新型设备实现了历史性突破。这套设备采用移动式龙门结构,集自动装夹、定位、铣削和搅拌摩擦焊等多种功能为一体,实现了对直径为10m,起飞重量超过3000t的重型运载火箭的超大型薄壁贮箱装配焊接智能化生产,大大提高了生产制造的效率和质量。



这实际上就是与美国生产SLS重型火箭的垂直焊接中心是同一种设备(见上图)。这种设备就是通过龙门吊,把壁板自动装进夹具进行精确定位,然后搅拌摩擦焊机器人进行自动焊接,然后就能迅速组合出10米直径的筒段。此外,中国西南铝业集团已经开发出直径10米级整体铝合金环件。中国10米直径重型火箭的关键技术,在一个个被攻克。



除了搅拌摩擦焊设备和大直径整体铝合金环件,中国还需要开发类似美国的垂直焊接装配中心,可将圆顶、环段和筒段连接在一起,像生产香肠一样快速生产火箭(见上图),同时还可以进行全部焊接的无损检测。因此,中国和美国的航天差距是客观存在的,但中国正在迅速积累重型火箭的先进制造技术,追赶世界先进水平。而中国将未来重型火箭目标定位10米直径,比美国的8.35米更大,这也就奠定了后发超越的基础。




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