淺談貯箱材料的選擇

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

貯箱是火箭完整的結(jié)構(gòu)單元，其材料選擇與貯箱的承載方式、推進劑種類和制造工藝發(fā)展水平密切相關(guān)。

1 發(fā)展歷史

貯箱材料的發(fā)展經(jīng)歷了4 個階段。自運載火箭誕生以來，國外推進劑貯箱的結(jié)構(gòu)材料先后經(jīng)歷了第1 代鋁鎂合金（5086 和AMг6），第2 代鋁銅合金（2014 和2219）和第3 代鋁鋰合金（1460 和2195），其特點是貯箱選用單一材料，發(fā)展趨勢是材料的強度、模量越來越高，比重越來越輕；為了進一步減輕結(jié)構(gòu)重量，采用金屬與非金屬相結(jié)合的方式，最終形成了重量較輕、承載能量較高的復(fù)合材料貯箱，因此第貯箱的第4 代材料為復(fù)合材料。

我國運載火箭推進劑貯箱的結(jié)構(gòu)材料也由開始的5A06鋁鎂合金發(fā)展到2A14 鋁合金、2219 鋁銅合金，其中2A14 鋁合金作為貯箱結(jié)構(gòu)材料使用至今，是現(xiàn)役成熟型號貯箱的主要材料；而2219 鋁銅合金則被確定為我國新一代運載火箭貯箱的結(jié)構(gòu)材料。

1.1 鋁鎂合金

第1 代貯箱材料為鋁鎂合金，包括5086 和AMГ6。鋁鎂合金焊接性能好，但材料不可熱處理強化，強度較低，結(jié)構(gòu)承載效率低。

1.2 鋁銅合金

為了減輕結(jié)構(gòu)重量，貯箱材料逐漸轉(zhuǎn)向比強度較高的第2 代鋁銅合金，例如2A14。其特點是材料可熱處理強化，結(jié)構(gòu)承載效率較高，但是焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋，為了提高焊接性能專門設(shè)計的新型Al-Cu-Mn 系合金2219，其強度接近2A14，但是塑性、韌性明顯改善，低溫性能尤其出色。

1.3 鋁鋰合金

第3 代貯箱材料為鋁鋰合金，包括1460 和2195。金屬鋰是室溫下固體金屬中最輕的金屬，其密度只有金屬鎂的30%。根據(jù)理論計算，在鋁合金中加入1%的鋰，可使合金密度降低3%，彈性模量提高6%，從而使比模量增加約10%。

馬丁公司研制的2195 鋁鋰合金比2219 鋁銅合金強度高30%，密度低3%，采用這種材料生產(chǎn)的奮進號航天飛機貯箱重量比原先采用2219 材料貯箱減輕3 406 kg[1]。因此，鋁鋰合金作為下一代運載火箭貯箱的主要備選材料。

1.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料貯箱由金屬襯套和纏繞在外表面的高強度復(fù)合材料構(gòu)成，其中，金屬襯套僅作為推進劑的貯存容器，內(nèi)壓載荷主要由外表面的復(fù)合材料承擔(dān)。由于金屬襯套不作為主要受力件，厚度可以很薄，只要與推進劑相容以及承擔(dān)外層纖維的纏繞產(chǎn)生的壓力載荷就可以；外表面的纖維材料一般選用高強度碳纖維，充分發(fā)揮了復(fù)合材料輕質(zhì)、單向抗拉強度高的特性，所以整個結(jié)構(gòu)重量大幅降低。

織女AVUM 艙的貯箱以0.8 mm 厚CP-3 鈦合金為襯套，外表面以T1000GB 高強度碳纖維和EPON826 樹脂纏繞成型。整個結(jié)構(gòu)重量，鈦合金占的比重為18.74%，碳纖維占的比重為75.35%，其余為樹脂[2]。

2 國內(nèi)外應(yīng)用情況

國內(nèi)外主要上面級貯箱材料選用情況見表1。

表1 國內(nèi)外主要運載火箭貯箱結(jié)構(gòu)材料

3 材料選擇的主要原則

貯箱材料的選擇需要綜合考慮力學(xué)、物理性能以及材料與推進劑相容性和工藝性等因素。

3.1 力學(xué)、物理性能

貯箱作為容納推進劑的容器，根據(jù)結(jié)構(gòu)布局分為懸掛式和承力式。懸掛式貯箱主要承受內(nèi)壓載荷，材料的比強度越高，結(jié)構(gòu)的重量就越輕，例如歐洲阿里安5EPS 二子級和我國發(fā)射北斗衛(wèi)星的上面級貯箱，均按照強度設(shè)計貯箱厚度；承力式貯箱在承受內(nèi)壓的同時還要承受較大軸壓和彎矩載荷，運載火箭的一子級、二子級貯箱均為此種類型，應(yīng)選用比剛度較高的材料，按照失穩(wěn)模式計算貯箱厚度尺寸。

貯箱結(jié)構(gòu)常用材料包括鋁合金、鈦合金和鋼合金，3 種材料的比剛度差別不大，但鈦合金具有較高的比強度，其次是鋁合金，再次是鋼合金。從承載考慮，對以內(nèi)壓為主要設(shè)計工況的貯箱選擇鈦合金是最適宜的。阿里安5GEPS 上面級以四氧化二氮和一甲基肼為推進劑，選擇2219 作為貯箱材料，為了提高火箭的運載能力，曾提出以鈦合金（Ti15.3.3）替換鋁合金（AL2219）的方法。

對于低溫推進劑，需要考慮材料在低溫環(huán)境下的性能變化。一般而言，隨著溫度的降低，鋁合金材料的拉伸強度、屈服強度不斷增加，塑性和切口的屈服強度比則不敏感；但是也有例外，7000 系合金在0 K 溫度下相對于常溫，斷面收縮率下降約50%，因此700 系合金不適宜用于低溫環(huán)境[3]。

3.2 與推進劑相容性

作為推進劑的載體，貯箱材料最重要的是不與貯存的推進劑發(fā)生反應(yīng)，或者被推進劑腐蝕。根據(jù)QJ1387—88《金屬材料在硝基氧化劑中靜態(tài)浸泡腐蝕試驗方法》中金屬材料與硝基氧化劑相容性分級標(biāo)準(zhǔn)，只有與推進劑1 級相容的材料才適宜做為長期（7 d 以上）貯存推進劑的貯箱材料[4]。

由于推進劑不同，貯箱材料也不同。與四氧化二氮和偏二甲肼1 級相容的1Cr18Ni9Ti，與過氧化氫卻是2 級相容，不適合用于長期與過氧化氫接觸；現(xiàn)役火箭大量使用的2219鋁合金，與液氧、煤油1 級相容，但與肼混合物2 級相容，對選用肼混合物為推進劑的飛行器，不適宜選用2219 作為貯箱材料。

3.3 工藝性

3.3.1 焊接性能

貯箱材料加工包括拉伸、滾彎、熱處理、化學(xué)銑切和焊接等，其中最重要的是焊接工藝。貯箱的焊接工藝由最初的鎢極氬弧焊逐漸發(fā)展到電子束焊、變極性等離子弧焊和現(xiàn)在的攪拌摩擦焊。鋁合金易于進行鎢極和熔化極氬弧焊，隨著材料的發(fā)展，其強度不斷提高、比重不斷減小，但是熔焊性能卻逐步降低。攪拌摩擦焊是一種基于微區(qū)鍛造的綠色固態(tài)焊接工藝，不需要氣體保護和填充金屬，對人體無不良影響，尤其適用于高強、熔焊難于焊接的鋁合金材料焊接。攪拌摩擦焊在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用，例如美國Delta 和Atlas 火箭的貯箱、日本H-2B 貯箱均采用該工藝生產(chǎn)，我國新一代運載火箭長征五號的貯箱也大量采用了攪拌摩擦焊焊接工藝，為減輕重量、提高運載能力做出了貢獻。

攪拌摩擦焊形成的焊縫性能較高；同時，由于攪拌摩擦焊的焊接溫度低于金屬熔點，因此不必擔(dān)心材料的化學(xué)反應(yīng)以及由此引起的與推進劑的相容性問題。

3.3.2 斷裂韌性和亞裂紋擴展速率

貯箱是一種壓力容器，一旦出現(xiàn)推進劑泄漏或者滲漏，將會危害身體健康，嚴重的會造成箭毀人亡。因此需要格外關(guān)注貯箱材料的斷裂韌性和亞裂紋擴展速率[5]。

原材料制備和結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生裂紋的缺陷，應(yīng)選擇斷裂韌性好和裂紋擴展速率低的材料，避免低應(yīng)力脆斷問題，最大限度地提高產(chǎn)品可靠性和使用壽命。

貯箱的破壞形式，希望是泄漏而不是爆破，因此貯箱材料的斷裂韌性應(yīng)盡可能高，其臨界裂紋尺寸一般應(yīng)超過箱體壁厚的1~4 倍。貯箱從生產(chǎn)到發(fā)射，在檢測、使用和維護過程中需要充壓幾十次到上百次，存在循環(huán)載荷作用下亞裂紋擴展問題，在使用壽命期間，增長后的裂紋不應(yīng)超過給定應(yīng)力水平下允許的臨界裂紋值。

鋁合金的切口屈服強度比在0 K ～300 K 內(nèi)一般不變化，隨著強度增加逐步降低；2219 鋁合金為1.4，6061 鋁合金可以達到1.6，表明在低溫下，即使出現(xiàn)尖銳的應(yīng)力集中，具有阻止裂紋產(chǎn)生并擴展的能力；2014 鋁合金切口屈服強度比達到1.0 以上，7000 系鋁合金（除7005）在4K 低溫下的切口屈服強度比只有0.4，因此不適宜應(yīng)用于低溫環(huán)境。

4 未來發(fā)展

選擇高比剛度、高比強度的材料，可以減輕重量，并降低裝置的慣性負荷。以非金屬替代金屬、以有色金屬替代鋼鐵，已成為貯箱材料應(yīng)用大勢所趨，纖維增強復(fù)合材料正逐漸成為重要的貯箱結(jié)構(gòu)材料之一。

纖維增強復(fù)合材料具有高的熱導(dǎo)比模量（彈性模量與熱導(dǎo)率之比）和高的熱導(dǎo)比強度（屈服強度與熱導(dǎo)率之比），可以大大減少那些必須置于有溫差環(huán)境中構(gòu)件的漏熱，這對于低溫貯箱來說是至關(guān)重要的。

復(fù)合材料比其他材料有更自由的可設(shè)計性，例如可以根據(jù)需要用不同的纖維及改變其排列來調(diào)節(jié)線膨脹系數(shù)，使復(fù)合材料在相當(dāng)大溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)零膨脹系數(shù)，并且還具有無磁、容易加工成形等優(yōu)點，使它很快在航天技術(shù)領(lǐng)域得到推廣和使用。

5 結(jié)論

根據(jù)貯箱受力特點，分別選用高比強度或者高比剛度材料；隨著材料工藝、焊接工藝的發(fā)展，貯箱結(jié)構(gòu)效率不斷提高；復(fù)合材料貯箱代表了未來的發(fā)展方向，尤其是不使用金屬內(nèi)膽的純復(fù)合材料貯箱是各國研究的重點，充分利用材料輕質(zhì)、高模量和高強度的特性，為進一步減重提供了發(fā)展空間。