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”，但這還遠遠不夠。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性能的碳纖維增強復合材料上，并開展了相關(guān)方案論證工作。

       設計師介紹說，復合材料的比強度通常可以提高50%以上，相比金屬貯箱可減重30%；且可通過一體化設計方法，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)設計師陳佳解釋道。
 

       雖然復合材料力學性能優(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，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所的設計師們積極推動多學科融合，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漏設計、低溫密封設計、可重復模具制備、低缺陷制造等10余項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了復合材料液氧貯箱領域多個“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；通過開展低溫密封試驗，國內(nèi)首次突破了直徑600mm級復合材料法蘭低溫液氧密封技術(shù)，解決了復合材料液氧貯箱的低溫密封難題；采用抗?jié)B漏冗余設計，在貯箱表層增設了一層輕薄隔離層，把“漏網(wǎng)”的推進劑分子牢牢拴住，大幅提升了復合材料液氧貯箱的應用可靠性。

       2021年4月20日，805所開展了3.35米直徑復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合材料極少涉足于低溫密封領域的局面，國內(nèi)首次低溫力學試驗的成功，更是表明了805所在大型復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)工程應用的目標變得現(xiàn)實可行。