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1、运载火箭贮箱箱底制造工艺范霁康 北京航空航天大学 北京100191摘 要：运载火箭贮箱是火箭系统上最重要的一个部分，它用来盛装高压液体推进剂，所 以在制造过稈中对于贮箱的焊接、装配等T艺过程要求很高。而贮箱的箱底是贮箱的一个重 要的组成部分，对于箱底与贮箱中部环形部分的链接和在火箭系统上的装配问题一直存在技 术难题。简单介绍了贮箱的分类与设计要求等基木内容，也系统全面的分析了贮箱箱底的焊 接方法和装配问题。关键词：焊接，推进剂贮箱，材料加工，运载火箭Manufacturing Process of the Tank Bottom for Launch VehicleFanj ikang0ei
2、j ing university of Aeronaut ics and Ast ronaut ics, Bei j ing 100076)Abstract： the tank is one importanl part for the launch vehicle. It/ s used to load the high pressure liquid propel la nt. So in the mdrm facturing process, the craf t of welding and ass emb 1 ing are highly requested. While the b
3、ot tom is also one esse ntial part, there are some technical problems in the link between the bottom and the middle and the assembling of the tank. This article simply introduces the classification of the tank and the request for the design and also analyses the problem of welding and assembling.Key
4、 word: welding, propellant tank, material processing, launch vehicle.一、贮箱的分类与设计要求1、贮箱的分类随肴液体火箭发动机推进剂供应系统的不断发展，贮箱的种类不断增加，分类方法也各 不相同，常见的分类情况如下：(1) 、按照推进剂输送系统的不同，可分为挤压式贮箱和泵压式贮箱。挤压式输送系统 贮箱中的燃料是靠高压气体挤入发动机燃烧室的。这种输送系统中的贮箱由于要承受较高的压力，又称为高压贮箱，如图1所示。1高压气瓶2减压器3贮箱4薄膜5发动机推力室图1挤压式输送系统 对泵压式输送系统，发动机燃烧室对燃料入口压力的要求是利用泵
5、增压（涡轮泵、齿轮泵） 来达到的。与挤压式贮箱相比，这种贮箱又称为低压式贮箱如图2所示。（2）、按照贮箱是否参加导弹弹体的总体受力，可分为受力式贮箱和非受力式贮箱受力式贮箱它的特点是贮箱除充当燃料容器外，贮箱壁还参加导弹弹体的总体受力，图8. 1. 2和图& 1. 3 部是受力式贮箱。由于这种贮箱兼作弹体，箱体材料的利用率高，弹体的空间利用率也高。1前对接框2增压导管3取液器4燃烧剂箱5加注口、出气口 6化剂箱7后对接框8后箱底9限制环10中间框11中间底12出液口 13前箱底14前堵盖图8.1.2受力式贮箱非受力式贮箱悬挂式贮箱为非受力式贮箱，它仅仅是一个燃料容器，安装在弹体内部， 不参加弹
6、体总体受力，如图3。这种结构形式的优点是对低温燃料隔热方便；贮箱木身可避免承受其他部件传来的集中力, 箱体结构简单。它的主要缺点是材料利用不充分，结构重量较大；空间利用率低。1锥形环2肋板3导管4型材5条带6前底7箱壁8过载小箱9型材10 导管11隔板12型材13角材14型材15型材16后底17导管18导管19 导管20重力活门21引射器22吸液嘴23托板24导管25隔框26绑带27 箱体28隔框29垫块30弹身壳体31径向螺栓32箱体33隔板图3悬挂式贮箱(3) 、按贮箱内的增压气体与燃料是否直接接触，可分为育接增压式贮箱和间接增压式 贮箱%1 直接增压式贮箱内燃料与增压气体肓接接触。前血所
7、述各种形式的贮箱都属于育接增压式。直接增压式 的缺点是增压气体与燃料直接接触，燃料中容易夹杂气泡；低压式贮箱在导弹作机动飞行时 可能由于燃料的晃动而不能正常供应燃料。为解决这两个问题，常需采用供液装置，常用的 供液装置有过载小箱加引射器的供液装置，旋转取液式供液装置。%1 间接增压式贮箱内燃料与增压气体隔离，气体对燃料间接进行增压。这种方式可避免燃料中夹杂气泡, 能提高输送液燃料的可靠性。下血介绍几种间接增压的供液装置（a）、图7所示为弹性袋式供液装置。弹性袋（材料为L4W）将贮箱内的燃料与气体隔开,输送燃料时，将具有一定压力的气体通过进气口充入弹性袋，由弹性袋将燃料挤出岀液管。图7弹性袋式供
8、液方式1加液管2梗3后箱底4工艺1_1、 泄液口 5前箱底6弹（）7支臂8进气口 9气密垫、法兰盘10 螺盖11廉圈12通气嘴13特殊垫 圈（占）14垫圈（）15木环16环圈17出气口弯管18接管 廉19出液管及膜片组（b）、图8所示为金属薄膜式供液装置。金属薄膜将增压气体与燃料隔开，其供液原理与 上述类似。（c）、橡皮囊式供液装置。燃料贮存在橡皮囊中，输送燃料靠贮箱内具有一定压力的气体 挤压橡皮囊（丁腊橡胶与卡布隆布制成），而将燃料挤出。（d）、可移动活塞式供液装置，增压气体推动活塞，使燃料从贮箱内被挤出。出口 1球形贮箱壳2同心圆的折褶式金属薄膜3氧化剂室4燃烧剂室图8金属薄膜式供液装置2
9、、贮箱的设计耍求贮箱是弹体的一个舱段，参与形成弹体外形。它在弹身上如何安排对导弹质心的定位和变化, 结构布局，与相邻舱段的协调，弹上设备的布置及导弹总体性能等都会产生明显的影响。因 此，除弹体结构设计的一般要求外，贮箱还应满足如下特殊要求：（1）、有足够的容积，以贮存足够数量的推进剂；（2）、材料和结构型式应满足推进剂和增压气体的物理化学性能要求，对于有腐蚀性的推进剂尤为重要；（3）、贮箱的布局应合理。贮箱的布局要考虑在给定的几何空间内具有最大的贮存容积、最大的可靠性（包括两种燃料混合的可能性最 小），管路安装容易，燃料的剩余量最小等；（4）、结构质量要小，在弹体结构质量中，贮箱质量占据的比例
10、相当高，多级导弹更是如 此，所以结构质量轻质化设计要求应是设计中主要考虑的方mz-；（5）、应具有防晃、防漩、防塌及对增压气流消能等能力，保证贮箱工作中燃料液面稳定 和增压压力稳定。并且充灌、排泄燃料迅速、方便、安全;（6）、对低温贮箱，所选的结构应有可靠的绝热系统，使推讲剂处于额定工作温度，以维 持发动机的性能稳定。二、贮箱的布局研究贮箱的几何形式和相互放置的位置，以确定贮箱的布局。贮箱的基木布局方案见图9。 液体火箭的燃料贮箱通常是分别放置的圆柱形箱体（一个贮箱接另一个贮箱）。从火箭的鹤 体布局、对接段和制造的工艺性考虑，这种形式的贮箱相对来说具有较多的优点。图9是燃料箱和氧化剂箱分别放置
11、的承力贮箱结构。这种贮箱在制造中最简单。从强度角 度来看贮箱有椭球形底，两个箱了Z间留有一定的空间，通常这个空间用来放置仪器和其他装置。为了减小火箭的长度和重量，经常采用带有共底的承力贮箱。也就是说，用一个共有的底将贮箱分为两部分：氧化剂箱的和燃烧剂箱（图9-a）。为了避免燃料混合在一起，必须保证共底部分焊缝的密封性，所以这种贮箱制造起来要复杂一些。除了圆柱形贮箱外，有时还采用 球形贮箱。图9-c示出了不承力 燃料贮箱，它是由两个单独的球 形贮箱组成的。这种球形贮箱适用于低沸点燃料，因为与圆柱形贮箱有相同容暈的球形贮箱具有小的表面积，因此它的绝热量也将小一些。此外，在同一工作压力下，球形贮箱的
12、质量要比圆柱形的小一些。与上面几笊体刚什桥爪疋孜厳山城型顷币和骨按瓜巒种贮箱相比，从降低火箭质量的角度出发，可以采 用球形共底贮箱（图9-d） o带有球形贮箱的燃料 舱适用于在飞行过程中可以抛弃贮箱热防护层的大 型运载火箭。在火箭组成的最示一级可以采川带冇共底的环形贮 箱（图9-e）。采用这种燃料贮箱，虽然相对于圆柱形和球形贮箱会使火箭的质量有一定的 增加，但可以获得最紧密的火箭结构，还可以降低火箭的外形尺寸。三、箱底的结构方案与成型箱底是贮箱的一个纟R成部分，其上开有各种用途的孔，如人孔、保险活门和液位指示器安装孔、推进剂输送管孔等。箱底的底形可分为：半球形底、半椭球形底、锥形底、三心底以
13、及由这些底形曲线组合的底（见下图）。贮箱结构厚度见表1,前箱壳段化饶网格尺寸大，减薄区壁薄，仅为1. 5土0. 1mm,焊接 区为3. 80. 1mm,后箱壳段虽然减薄区和焊接区相应加厚，但化铳网格尺寸更大，売段刚 性弱，环缝焊接极易产生变形，从而导致贮箱环缝局部失稳，不能满足使用要求；贮箱结 构材料为焊接性较菲的LD10CS可热处理强化高强度铝合金，在低温状态下使用时，易产生 低应力脆断，缺陷的敏感性高，因此对焊缝内部气孔、夹渣等缺陷的尺寸、数量和间距的要 求都比常温贮箱严格，焊漏过渡要求圆滑，无应力集中点。该贮箱接头致密性要求很高，前 箱单孔漏率不大于6. 7X10- 9P am3 / s
14、,后箱不大于6. 7X10- 8Pam3/ s;前箱总漏率不 大于6. 7X10- 7Pam3/ s,同时，贮箱有较高的圆度及母线宜线度要求。由此可知，该贮 箱对焊接质量要求非常高。为了满足使用要求，必须严格控制焊接变形量，大大减少接头内 部缺陷，同时应尽可能在一次焊接过稈中达到设计要求，避免补焊，否则因结构刚性问题, 补焊将加剧箱体变形部前底前箱壳段后箱壳段后底部位基体焊接基体焊接基体焊接基体焊接厚1. 32. 51. 53. 81. 84. 21.3. 5四、底座的装配工艺初期研制的低温贮箱丁装是仿制比较成熟的小育径低温贮箱环缝装配、焊接T装。贮箱壳段 环缝对接处，外部采用链式卡带箍紧，内
15、部用无心气囊涨圈撑圆。但是，由于売段肓径的加 大，刚性和圆度都很差，气囊涨圈撑紧力明显不足，对接环缝装配难度很大，焊前常有错 位现象 悍接过程中内撑力不能够冇效限制近缝区的变形，使得焊缝错缝较大，缺陷很多。为此，研制了轴式气动涨圈，见图10o缝时,由于后孔法兰盘位置不在底的正中心,尾廉中心轴无法进入箱体内，研制出的以尾朋该涨圈组装好后装到贮箱总装型架尾座的 中心轴上，”1随中心轴移动，以中心轴为 支撑充压撑紧，焊接后可分体拆卸。这种轴 式气动涨圈大大提高了涨圈的撑紧力，一定 程度上减少了焊前装配错位，解决了内撑 力不足问题。但是，焊接后底与売段对接环中心轴为支撑的轴式气动涨圈不能使川，经过摸索，又试制出偏心轴式气动涨圈。此涨圈结 构新颖，与前述轴式气动涨圈具有同样的效果。涨圈撑紧力提高后，链式卡带箍紧力又显不 足。为增加箍紧力，设计、生产了阶梯式卡带，初期卡带到位后，因材料热处理等问题，卡 带强度不够，无法使用。为提高箍紧效果，在原有的链式卡带下面增加厚153. Omm、宽40mni的不锈钢塑板，对提高卡带焊接区附近的刚性，减少对接环缝向外翘起有 一定的效果，但仍不令人满意。通过采取措施，生产出了合格的大规格阶梯式卡带，这种卡 带与轴式气动涨圈配合使用，大大减少了焊前
