運載火箭箭體結(jié)構(gòu)低成本途徑及性能影響分析

鄭正路 葉 青 李 爍 胡冬生 冷月 阮小鵬

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京100076；2.四川航天系統(tǒng)工程研究所，成都610100；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

1 引言

近年來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是隨著商業(yè)發(fā)射市場的競爭環(huán)境日趨激烈，運載火箭的成本問題越來越得到各航天大國的重視[1，2]。據(jù)統(tǒng)計，運載火箭的研制成本組成主要包括結(jié)構(gòu)、電氣、動力等幾方面，以美國的宇宙神5 火箭為例，箭體結(jié)構(gòu)成本約占火箭總成本的25%～30%[2，3]。因此降低結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的成本對于降低運載火箭的成本具有非常重要的意義。

目前，相關(guān)專家學(xué)者針對運載火箭的研制費用開展了分析工作，并提出了降低成本的途徑[4～7]，但專門針對運載火箭箭體結(jié)構(gòu)開展相關(guān)低成本途徑分析的成果較少，尤其是沒有涉及到成本與火箭性能之間的關(guān)系。從運載火箭箭體結(jié)構(gòu)成本組成入手，分析了在不同年產(chǎn)數(shù)量下運載火箭箭體結(jié)構(gòu)成本組成，針對不同年產(chǎn)數(shù)量提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)低成本的解決途徑，并引入費效比的概念，分析了箭體結(jié)構(gòu)成本與性能之間的關(guān)系。相關(guān)成果對運載火箭降本增效設(shè)計具有較強的借鑒意義。

2 運載火箭箭體結(jié)構(gòu)的組成和基本方案

運載火箭的箭體結(jié)構(gòu)是火箭的主體。主要包括整流罩、級間段、尾段等部段，而液體運載火箭還包括壓力容器部件即推進劑貯箱等[8]。

其中的典型貯箱結(jié)構(gòu)包括箱底和筒段兩部分，箱底包括橢球、球形、錐形等多種底型，一般由曲板拼焊而成，筒段一般為光殼和網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格類型包括正置正交、斜置正交和等邊三角形，主要采用鋁合金材料。推進劑貯箱的成型工藝主要包括鈑金成型工藝、拼焊工藝以及銑削工藝。

整流罩、級間段、尾段等干部段結(jié)構(gòu)大多采用鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)、整體鑄造后機加結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，主要涉及到的成型工藝包括鉚接、鑄造、鈑金成型、熱壓罐固化等工藝。

3 箭體結(jié)構(gòu)成本構(gòu)成及低成本途徑分析

3.1 箭體結(jié)構(gòu)成本構(gòu)成分析

根據(jù)運載火箭的成型工藝可知運載火箭箭體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本主要取決于材料、工裝模具、人工工時以及設(shè)備損耗等其他費用。以某型固體運載火箭為例，其箭體結(jié)構(gòu)成本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 單發(fā)產(chǎn)品箭體結(jié)構(gòu)成本構(gòu)成

在單發(fā)產(chǎn)品的情況下箭體結(jié)構(gòu)主要成本取決于人工工時、原材料以及模具工裝的成本。

3.2 原材料成本

材料是結(jié)構(gòu)部段的直接成本，控制材料成本需要在選材、材料去除率、材料性能、材料回收等方面綜合考慮。

選材根據(jù)批量不同，選材的方案也不相同。小批量生產(chǎn)盡量選用通用型材，可替代性好的型材；大批量訂貨則可以考慮訂購批量型材，即保證材料的可靠性，還能夠提高材料性能，最終提高整體性能。

由于頸源性頭痛的發(fā)病機制十分復(fù)雜,每個患者的病灶部位不同,注射治療要堅持個體化原則。經(jīng)治的臨床醫(yī)師在進行注射療法前,耍仔細分析該患者的病情,盡可能確認每個患者的具體病灶部位,有針對性地為其制定注射治療方案。近十余年國內(nèi)外專家治療頸源性頭痛主要應(yīng)用:

材料去除率盡量低。在成型過程中盡量選用標(biāo)準(zhǔn)型材，大量使用鈑金件，能夠減少材料去除，并減少材料中間工序損失，提高成材率，節(jié)約成本。

材料性能選擇決定了結(jié)構(gòu)艙段的整體性能，選擇材料具有更高的比強度，如用鋁鋰合金材料替代傳統(tǒng)鋁合金材料，會降低艙段重量[9]，提升火箭運載能力，使運載平臺更具有市場競爭力。

另外，在鈦合金等金屬的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生部分的返回料，在熔煉合金鑄錠時添加返回料，可顯著降低原料成本[10]。

3.3 人工成本

人工成本主要體現(xiàn)為生產(chǎn)周期的長短，其主要取決于加工工藝的成熟度、復(fù)雜程度。使用高成熟度、低復(fù)雜程度的加工工藝，可以有效提高工人的工作效率以及加工流水線的生產(chǎn)效率。

如為了減輕運載火箭貯箱壁板重量，目前多采用正交正置網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)或三角形結(jié)構(gòu)，這造成了加工過程中復(fù)雜程度增加，直接采用光筒結(jié)構(gòu)的壁板則可以大大降低復(fù)雜程度，提高生產(chǎn)效率。對于機加、切削流程較多，工序復(fù)雜、材料去除率高的產(chǎn)品，可以先加工出較為簡單的多個小零件，再裝配?？梢源蟠蠊?jié)約周期，減少人工成本。

技術(shù)升級與創(chuàng)新是提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期的重要方式。在設(shè)計方面，采用多功能結(jié)構(gòu)將結(jié)構(gòu)功能、熱控功能、電子功能集成優(yōu)化可以最大化減小重量和空間、減少總裝工作量[11]。三維裝配仿真技術(shù)的推廣和應(yīng)用可以大幅提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量和效率并縮短產(chǎn)品的裝配周期[12]。先進有限元技術(shù)使設(shè)計進程大大加快，提高試驗成功率并減少試驗次數(shù)，研制成本大幅降低，研制周期大幅縮短；而在制造方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，大型薄壁結(jié)構(gòu)整體鑄造成型技術(shù)、基于3D打印的快速成型技術(shù)、熱等靜壓近凈成形技術(shù)[13～16]等先進技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品的可靠性和輕量化水平大幅提高的同時，制造周期也大幅縮短，制造成本大幅降低。

3.4 工裝模具成本

工裝作為成型工藝的必要條件，為一次性投入。工裝模具成本主要取決于產(chǎn)量。工裝模具成本屬于固定成本，其總量不隨結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的產(chǎn)量變化，提高產(chǎn)量，則單臺產(chǎn)品的成本量將以倒數(shù)函數(shù)形式下降。

采用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部段生產(chǎn)時需要投入大量的工裝設(shè)備。因此可以從降低主要由昂貴的模具、高投資、高能耗設(shè)備等帶來的高費用角度，降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部段的成本。如采用低溫固化復(fù)合材料技術(shù)，以及RTM 及RFI 工藝等非熱壓罐固化方法[17，18]，從而減少設(shè)備投資，降低成本。

另外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對箱間段、級間段等均勻承載的部段通過統(tǒng)一桁條布局以及端框、中間框、開口等實現(xiàn)結(jié)構(gòu)部段的產(chǎn)品化，對于承力壁板、口蓋口框、儀器支架、星箭接口等，也可做成通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的部件，這樣在提高生產(chǎn)效率的同時，減少模具的數(shù)量，將極大地降低成本。

4 批量化生產(chǎn)模式對成本的影響

當(dāng)產(chǎn)量為單發(fā)的情況下，結(jié)構(gòu)成本主要集中在材料費和人工費上。但當(dāng)年產(chǎn)量變化時，其成本構(gòu)成也發(fā)生了相應(yīng)的變化。當(dāng)年產(chǎn)量增加時，為縮短生產(chǎn)周期，宜采用自動鉚接工藝。可以投入自動鉚接設(shè)備、適量專用工裝設(shè)備等裝備，該階段的設(shè)備占比會有所增加，同時由于增加了專用設(shè)備，其設(shè)備損耗及水電費等其他費用也相應(yīng)增加，如圖2所示。

當(dāng)年產(chǎn)量繼續(xù)增加的情況下，為提高效率，更傾向于采用整體鑄造+筋的結(jié)構(gòu)形式。此時需建造專門的火箭智能生產(chǎn)線，并投入數(shù)臺鏡像銑設(shè)備（配備壁厚自動檢測與數(shù)據(jù)采集等職能化設(shè)備提高效率）。建設(shè)零部件立體倉庫及智能物流系統(tǒng)，提高生產(chǎn)轉(zhuǎn)運效率并建設(shè)火箭生產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)型號生產(chǎn)的數(shù)字化管控，此時結(jié)構(gòu)成本的構(gòu)成有較大的變化，如圖3所示。

圖2 中小批量時生產(chǎn)箭體結(jié)構(gòu)成本構(gòu)成

圖3 大批量生產(chǎn)時箭體結(jié)構(gòu)成本構(gòu)成

對比單套/發(fā)生產(chǎn)與批量化生產(chǎn)的單套/發(fā)成本，在這里假定某固體火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單套的成本為240萬元，在進行中小批量生產(chǎn)時引入自動鉚接設(shè)備及相關(guān)專用工裝的費用為1000 萬元。當(dāng)需要大批量生產(chǎn)時需要當(dāng)投入的智能化生產(chǎn)線的費用為11000 萬元，在這三種模式下單臺成本如表1所示。

表1 不同批產(chǎn)量生產(chǎn)方式對比

結(jié)構(gòu)部段在這三種生產(chǎn)模式下的成本隨產(chǎn)量變化曲線如圖4和圖5所示。在采用自動鉚接裝配設(shè)備進行中小批量生產(chǎn)時，當(dāng)產(chǎn)量大于10 套（發(fā)）時結(jié)構(gòu)部段批量化生產(chǎn)的成本小于單套（發(fā)）生產(chǎn)的成本。而引入智能化生產(chǎn)線進行大批量生產(chǎn)時，當(dāng)產(chǎn)量大于92套（發(fā)）時批量化生產(chǎn)的成本小于單套（發(fā)）生產(chǎn)的成本。

圖4 中小批量生產(chǎn)時結(jié)構(gòu)部段成本隨產(chǎn)量變化曲線

圖5 大批量生產(chǎn)時結(jié)構(gòu)部段成本隨產(chǎn)量變化曲線

5 箭體結(jié)構(gòu)成本及性能分析

降低運載火箭生產(chǎn)制造成本的途徑，包括采用高性能的材料及簡化設(shè)計等方法。而運載火箭所采用不同方案會對火箭的性能（這里主要針對運載能力）產(chǎn)生影響。因此，需要在成本和性能之間權(quán)衡。在這里引入費效比的概念，即單位運載能力的所需成本=單發(fā)運載火箭的總成本/火箭運載能力。如費效比越低，則表明火箭的性價比越高。

以某型液體三級運載火箭為研究對象，假定其發(fā)射地月轉(zhuǎn)移軌道（LTO）時的單位運載能力的所需的成發(fā)射成本為A 萬元/kg，各子級重量的變化對運載能力的影響如表2所示。

表2 某液體運載火箭子級重量對運載能力的貢獻

對于液體運載火箭，其貯箱成本占結(jié)構(gòu)系統(tǒng)成本的比重較大。因此可主要針對貯箱結(jié)構(gòu)開展相關(guān)分析工作。貯箱材料一般選用2219 鋁合金，貯箱筒段采用正置正交或45°斜置正交網(wǎng)格。這里針對火箭各子級貯箱采用2195 鋁鋰合金替換2219 鋁合金，以及采用簡化設(shè)計方案即采用光筒壁板方案代替銑削網(wǎng)格加筋的方案，且用價格較低的5A06 鋁合金代替2219 鋁合金所帶來的成本和性能的影響進行了分析，如表3、表4所示。

表3 推進貯箱采用2195鋁鋰合金替代2219鋁合金時的成本性能分析

表4 推進貯箱采用簡化設(shè)計方案時的的成本性能分析

由表3可知，采用2195 鋁鋰合金代替了2219 鋁合金，火箭的成本有所增加，但運載能力也有提升。當(dāng)二級三級貯箱同時采用2195 鋁鋰合金替代2219 鋁合金時，其發(fā)射LTO 軌道時單位運載能力的成本降幅最為明顯，較原方案降低了1.9%。而從表4中可以看出由于貯箱采用了光筒方案替代了原來的網(wǎng)格加筋方案，大幅節(jié)省了周期，且采用了更低廉的材料（5A06），火箭總成本降低，但由于采用了光筒的筒段，結(jié)構(gòu)效率降低，火箭重量有所增加，造成運載能力的損失。只有當(dāng)一級貯箱采用簡化方案設(shè)計時，其單位運載能力所需的成本較原方案有所降低（0.3%）。綜合來看，為得到最佳的費效比，對于該三級液體火箭，可考慮二三級采用2195 鋁鋰合金替代2219 鋁合金，而一級可采用簡化設(shè)計方案。在發(fā)射LTO 軌道時，其單位運載能力的成本可以較原方案下降約2.2%。

6 結(jié)束語

通過以上的分析，得到以下結(jié)論：

a.可以從減小材料去除率，提高材料性能，采用材料回收、簡化設(shè)計、技術(shù)創(chuàng)新縮短周期，降低模具成本，采用通用化設(shè)計等方式降低結(jié)構(gòu)的成本；

b.可根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量選擇不同的生產(chǎn)工藝和方式。以生產(chǎn)某固體火箭殼段為例，在中小批量生產(chǎn)時殼段宜采用自動鉚接工藝。當(dāng)大批量生產(chǎn)，產(chǎn)量在近百套（發(fā)）時可考慮采用智能生產(chǎn)線，以整體鑄造后機加為主，并引進專用的先進加工設(shè)備，可大大提高生產(chǎn)效率；

c.在進行運載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要綜合考慮成本及火箭性能之間的關(guān)系，通過分析火箭各子級重量變化對運載能力的影響，在各子級采用相應(yīng)的低成本設(shè)計方法從而得到最佳的費效比。