氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造技術(shù)發(fā)展

張晗翌 劉潤澤

綜述·專稿

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造技術(shù)發(fā)展

張晗翌劉潤澤

（1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；2. 北京銳影醫(yī)療技術(shù)有限公司，北京 100089）

以氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管為主，綜合分析了國外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，包括美國SSME發(fā)動(dòng)機(jī)、日本LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向管束式、歐洲航天局“火神”1/“火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋管束式、以及俄羅斯RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)等的銑槽式，單壁結(jié)構(gòu)的噴管結(jié)構(gòu)簡單，在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上也有應(yīng)用。最后介紹了正在研究的火箭噴管快速制造技術(shù)，如內(nèi)襯成形的同軸送粉激光沉積增材制造技術(shù)和電弧熔絲增材制造，加工冷卻通道的磨料水射流銑削技術(shù)，以及用于封合冷卻通道的激光熔絲技術(shù)等。

噴管；釬焊；激光焊；增材制造

1 引言

噴管是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組件，負(fù)責(zé)控制熱氣的方向和膨脹，這些熱氣從燃燒室排出，經(jīng)過喉襯部分膨脹并加速，為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力。噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及加工工藝都會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。美國和俄羅斯兩個(gè)航天強(qiáng)國在最初的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，噴管的設(shè)計(jì)與制造就走了兩條完全不同的道路，美國航天工業(yè)在燃燒室和噴管的制造上選擇了錐管釬焊成型的管束式結(jié)構(gòu)，而俄羅斯采用的是銑槽式結(jié)構(gòu)。從理論上講，錐管形成的冷卻通道比銑槽結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要少，但制造工藝復(fù)雜。目前氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的結(jié)構(gòu)形式主要分為管束式結(jié)構(gòu)、銑槽式結(jié)構(gòu)和單壁結(jié)構(gòu)。其中，管束式又分為縱向管束式和螺旋管束式。美國早期的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)LE-10、航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）以及日本的LE-7/LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)均采用縱向管束式結(jié)構(gòu)；歐洲航天局“火神”1/“火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)和中國的YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)采用了螺旋管束式結(jié)構(gòu)；銑槽式結(jié)構(gòu)的噴管以蘇俄研制的RD-0120氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)為代表，蘇俄的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)也同樣采用了這種內(nèi)壁銑槽+擴(kuò)散釬焊外壁的制造工藝，如RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)等。美國曾與俄羅斯合作研究過銑槽式結(jié)構(gòu)噴管，意圖用于SSME改進(jìn)型等發(fā)動(dòng)機(jī)上。21世紀(jì)初，歐洲航天局研究出內(nèi)壁銑槽+激光焊外壁的銑槽式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)用于“火神”2.1型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)將用于阿里安6的芯級(jí)，預(yù)計(jì)2022年第二季度首次發(fā)射。目前美國多個(gè)機(jī)構(gòu)正在研究銑槽式噴管的快速制造技術(shù)，即采用增材制造技術(shù)制造噴管的內(nèi)襯和封合外殼，與傳統(tǒng)工藝相比，這種快速制造技術(shù)工序少，周期短，對制造大型噴管極具潛力；單壁結(jié)構(gòu)的噴管結(jié)構(gòu)簡單，常用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上也有應(yīng)用，如美國RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管沿用了和航天飛機(jī)固體助推器一樣的單壁復(fù)合材料噴管。歐洲航天局“火神”2、日本LE-9以及美國J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)都在噴管下半段大面積比處采用了排放冷卻的金屬單壁結(jié)構(gòu)。國外典型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管所用材料與工藝參見表1。

表1 國外典型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)性能及噴管材料與工藝

2 管束式結(jié)構(gòu)噴管

圖1 管束式結(jié)構(gòu)示意圖

管束式噴管有兩種形式，圖1a所示的縱向管束式結(jié)構(gòu)采用圓形錐管，冷卻劑從上直接向下流動(dòng)冷卻噴管。這種結(jié)構(gòu)的噴管設(shè)計(jì)簡潔、重量輕，但噴管剛度相對較差，而且制造技術(shù)比較復(fù)雜，管間間隙不易調(diào)整，容易影響焊接質(zhì)量。另一種是圖1b所示的螺旋管束式結(jié)構(gòu)，采用方管（或矩形管）按螺旋狀依次排放，然后焊接在一起。螺旋管束式結(jié)構(gòu)的噴管冷卻效果和剛度都比縱向管束式好，且可以通過改變螺旋升角調(diào)整管間間隙，易于保證焊接質(zhì)量。

2.1 縱向管束式噴管制造技術(shù)

美國SSME發(fā)動(dòng)機(jī)噴管長3.05m，主要由管壁結(jié)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)外殼、加強(qiáng)箍和集合器組成。噴管兩端的錐管直徑分別為1.59mm和6.35mm，壁厚在0.18～0.38mm之間變化。管壁結(jié)構(gòu)件由1080根錐形管豎直裝配，并釬焊成一體，形成鐘型噴管。錐管材料為A-286不銹鋼，累計(jì)總長為3292m；管壁結(jié)構(gòu)件焊接成功后，在外表面釬焊因康鎳718結(jié)構(gòu)外殼和9個(gè)加強(qiáng)箍。薄壁外殼具有熱屏障功能，殼壁上加工有錯(cuò)綜復(fù)雜的冷卻劑進(jìn)出孔。9個(gè)環(huán)箍作為加強(qiáng)箍，以增加噴管的強(qiáng)度；最后將錐管兩端與上下集合器釬焊在一起，再與3個(gè)傳送管道和6個(gè)排放管路連接。噴管冷卻時(shí)，液氫作為冷卻劑分成兩股，一股直接流向噴注器，另一股通過三條輸送管道，分六個(gè)點(diǎn)進(jìn)入噴管尾部的入口集合器，向上流過1080根錐管后到達(dá)噴管頂端的出口集合器，經(jīng)混合器后再通過旁路流過。

釬焊操作一般進(jìn)行2～3個(gè)循環(huán)，所用釬料為Au-22Ni-8Pd和Au-25Mn-6Pd-6Ni-45Cu。錐形管與外殼的裝配需要使用7kg的釬料，錐管與集合器共有2160個(gè)釬焊接頭，焊縫總長度超過4200m。

2.2 螺旋管束式噴管制造技術(shù)

以歐洲航天局“火神”1發(fā)動(dòng)機(jī)為例，噴管由管壁結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)箍和集合器組成。管壁結(jié)構(gòu)件由456根因康鎳600薄壁方管組成，這些薄壁方管呈螺旋形纏繞形成鐘形，管壁橫截面為4mm×4mm的正方形。焊縫總長達(dá)1800m，焊縫間距僅為4mm。這種結(jié)構(gòu)的噴管沒有結(jié)構(gòu)外殼，僅由加強(qiáng)箍輔助支撐。“火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管結(jié)構(gòu)改為：上半部分仍為螺旋管束式結(jié)構(gòu)，由288根橫截面為4mm×6mm的矩形管組成，下半部采用了薄膜冷卻的金屬單壁結(jié)構(gòu)。

管壁結(jié)構(gòu)件制造工序包括：將圓管拉伸成所需尺寸的方管；將方管切割到合適長度；對方管逐個(gè)去毛刺、清洗等；采用專用數(shù)控彎管機(jī)床將方管彎曲到指定的螺旋形狀；將模具做成噴管內(nèi)尺寸形狀；將方管手工依次纏繞到模具上，并用絲帶纏繞固定，如圖2所示。方管之間緊密排放，避免間隙過大使后續(xù)焊接出現(xiàn)問題；使用TIG焊將螺旋型排列的方管焊接成噴管。焊接系統(tǒng)由焊接機(jī)器人、激光跟蹤傳感器和TIG焊槍組成。焊接時(shí)，模具旋轉(zhuǎn)，同機(jī)器人協(xié)調(diào)動(dòng)作，激光跟蹤傳感器在焊接之前定位焊縫；將焊好的管壁結(jié)構(gòu)件放置在特制的車床上，將零件的兩端切割到合適尺寸并清洗。檢查焊縫是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，如有必要，還需手工修補(bǔ)焊縫。

圖2 制造中的“火神”1/“火神”2螺旋管束式噴管

接下來是集合器和加強(qiáng)箍的焊接。集合器安裝在管壁結(jié)構(gòu)件的上下兩端，焊接時(shí)使用填充材料，接口孔由鉆孔和鉸孔工藝完成；為確保噴管在高壓下不變形，需進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)包括對整個(gè)噴管內(nèi)腔加壓和在管中加壓兩部分；加強(qiáng)箍共有14個(gè)，上下邊都要焊接，并用熒光滲透檢查焊接區(qū)域的裂紋，保證焊接后的方管內(nèi)腔沒有變形；用水沖刷清洗管道，檢漏后再次進(jìn)行加壓檢測；最后精車接合面直徑和表面、焊接裝配渦輪排氣管支架，以及對所有焊接區(qū)域和出口端面進(jìn)行熒光滲透檢查和尺寸檢測等。

首次使用螺旋管束噴管的是歐洲航天局的HM-7發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)時(shí)采用手工焊接技術(shù)。從“火神”1發(fā)動(dòng)機(jī)噴管開始使用自動(dòng)焊接技術(shù)，全自動(dòng)數(shù)控焊接機(jī)床上配備了旋轉(zhuǎn)加傾斜的工作臺(tái)。焊接時(shí)焊接機(jī)器人會(huì)根據(jù)焊縫位置變化對焊縫進(jìn)行精確跟蹤，這是噴管焊接的關(guān)鍵。

3 銑槽式結(jié)構(gòu)噴管

銑槽式結(jié)構(gòu)的噴管由內(nèi)襯和外殼組成，在內(nèi)襯的外表面加工出冷卻通道，再用外殼進(jìn)行封合。封合技術(shù)是銑槽式噴管的制造難點(diǎn)，俄羅斯最早開始使用銑槽式結(jié)構(gòu)噴管，采用釬焊技術(shù)封合。21世紀(jì)初，為滿足降低成本及向高壓發(fā)動(dòng)機(jī)方向發(fā)展的要求，歐洲航天局開發(fā)了激光焊接銑槽式結(jié)構(gòu)噴管。與釬焊相比，這種形式的噴管工藝性好、生產(chǎn)柔性強(qiáng)，機(jī)械性能、完整性和重復(fù)性都有很大提高，而且沒有了真空釬焊爐的限制，對大尺寸噴管的研制潛力很大。由于激光焊接材料范圍廣，又采用標(biāo)準(zhǔn)加工工藝及設(shè)備，因此，噴管的加工時(shí)間和成本都得到降低。

目前，國外正在研究大型銑槽式結(jié)構(gòu)噴管的快速制造技術(shù)，包括內(nèi)襯成形、冷卻通道的加工及封合等，以電弧熔絲沉積和激光送粉沉積增材制造技術(shù)為主的快速制造技術(shù)，加工出的零件可以達(dá)到近凈成形，減少了后續(xù)加工工序，可大幅縮減噴管的制造周期與成本。

3.1 采用真空釬焊的銑槽式噴管

以俄羅斯RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)為例，噴管由三部分組成：上段、中段和下段。每段噴管都是由各自的內(nèi)襯和外殼構(gòu)成，上段內(nèi)襯材料為青銅，外殼材料為BHC-25鎳鉻合金，中段和下段的內(nèi)外壁材料均為12X18H10T不銹鋼。在內(nèi)襯上銑出溝槽作為冷卻通道，外殼作為噴管結(jié)構(gòu)的外壁在施加了釬焊合金之后，按特定步驟裝配，然后采用俄羅斯專有的旋轉(zhuǎn)真空壓力釬焊（RVCB）工藝封合冷卻通道。完成釬焊的噴管段經(jīng)檢查后進(jìn)行焊接總裝，三段之間的連接采用真空電子束焊接，并在下段噴管上安裝5條加強(qiáng)筋，以保證噴管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。最后在噴管的兩端焊接集合器。這種銑槽式噴管的連接方式不需要復(fù)雜的夾具，所有零件放置在合適的位置在一定的壓力下完成釬焊。

RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)是模擬可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)SSME而制造的一次性發(fā)動(dòng)機(jī)，與SSME的推力、尺寸和操作條件幾乎完全相同。與SSME相比，噴管的零件數(shù)量、焊接部位均大幅減少。這種結(jié)構(gòu)類型的噴管不僅具有優(yōu)異的冷卻特性，同時(shí)還具有制造工藝簡單、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)。美國曾與俄羅斯合作進(jìn)行過這種真空釬焊銑槽式噴管的研究，試圖用于SSME改進(jìn)型等。美國早期的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和噴管常采用管束式結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)70年代開始在SSME的主燃燒室和X-33的塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上使用這種銑槽式結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代，美國曾考慮過為SSME研制銑槽式噴管，此時(shí)正值蘇聯(lián)政局改變，俄羅斯開放火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)載器的合作，NASA和美國的幾家航天公司開始研究俄羅斯火箭技術(shù)，其中Aerojet-CADB-洛克達(dá)因合作團(tuán)隊(duì)同NASA一起進(jìn)行SSME升級(jí)中銑槽式噴管的研發(fā)。但這種釬焊銑槽式結(jié)構(gòu)的噴管對內(nèi)壁冷卻槽精度要求高，加工難度大，且冷卻液氫排放量的增加增大了性能損失。后來隨著航天飛機(jī)的退役，對SSME銑槽式噴管的研究也中止了。

3.2 采用激光焊接的銑槽式噴管

圖3 激光焊接銑槽式噴管工藝流程

以歐洲航天局制造的噴管示范件為例，激光焊接銑槽式噴管加工流程如圖3所示。a.內(nèi)襯和外壁的制造：根據(jù)噴管尺寸大小，用激光從平板上切下2～3塊板材；將板材滾壓成形，并沿軸線對焊在一起形成筒形，然后放置在可擴(kuò)張夾具上撐開，滿足圓度和直度的要求。b.冷卻通道的加工：采用雙銑刀平行放置，兩刀之間的間隙是一個(gè)筋的厚度。在內(nèi)襯的外表面上銑出720條冷卻槽，槽寬在2～4.2mm之間，壁厚剩余0.75mm。c.內(nèi)外壁的焊接：采用激光焊從錐型外壁的外表面“盲”焊在內(nèi)襯的筋上，技術(shù)的關(guān)鍵就是定位筋的位置，保證焊接的精度和可重復(fù)性等。如圖4a所示，焊接系統(tǒng)由兩部分組成，即裝夾噴管并可進(jìn)行6軸運(yùn)動(dòng)的激光焊接裝置和焊縫跟蹤系統(tǒng)。焊縫跟蹤系統(tǒng)采用X光實(shí)時(shí)對內(nèi)壁的冷卻槽壁掃描，計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描信號(hào)確定冷卻槽壁的位置，指導(dǎo)激光焊槍跟蹤焊接。激光焊接的熱量輸入相對較少，可以保持材料的性能，避免零件變形。采用激光焊接的銑槽式噴管已用于“火神”2.1發(fā)動(dòng)機(jī)，并將作為阿里安6的芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)于2022年發(fā)射。

為了增強(qiáng)噴管的強(qiáng)度，噴管的加強(qiáng)筋和法蘭等采用激光金屬沉積工藝（Laser Metal Deposition，LMD）制造。LMD技術(shù)是利用激光熔化傳統(tǒng)焊絲在工件表面形成沉積，沉積出幾毫米厚的加強(qiáng)筋。該工藝可集成在焊接設(shè)備中，將可旋轉(zhuǎn)和傾斜的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人安裝在超精密軌道上，在機(jī)器人上裝有跟蹤器，從噴管的頂邊開始沉積。沉積層厚度可達(dá)0.25～0.5mm，10mm的加強(qiáng)筋需要連續(xù)多層沉積才能完成。經(jīng)X射線檢測驗(yàn)證，激光金屬沉積可達(dá)到無夾雜物、無氣孔和其它潛在缺陷。圖4b為激光沉積產(chǎn)品。

圖4 激光金屬沉積

3.3 采用增材制造技術(shù)的銑槽式噴管

以美國宇航局馬歇爾太空飛行中心制造的噴管示范件為例，采用同軸送粉激光沉積技術(shù)制造的噴管內(nèi)襯為610mm，由因康鎳625粉末制成。對內(nèi)襯表面加工后，內(nèi)襯壁厚不到1.5mm。內(nèi)襯外表面的冷卻通道采用磨料水射流銑削（WJM），公差保持在±0.05mm的范圍內(nèi)。冷卻通道的封合技術(shù)采用了激光熔絲沉積增材制造。

激光熔絲沉積技術(shù)在民用工業(yè)中已使用多年，也曾用于宇航零件的修補(bǔ)，歐洲航天局用于噴管外壁加強(qiáng)筋的沉積技術(shù)也屬于同類。如圖5所示，作為噴管冷卻通道的封合技術(shù)，封合時(shí)不需填充冷卻通道，而是通過激光熔絲在每個(gè)冷卻通道上搭接成“橋”，形成局部焊接。加工時(shí)，焊絲和激光沿著噴管周向行進(jìn)，以形成初始層，然后制造支撐外殼。使用該技術(shù)封合的冷卻通道，其流道面積會(huì)有所減少，但可控制在5%之內(nèi)，屬于工藝設(shè)計(jì)認(rèn)可的范圍。采用增材技術(shù)制造的噴管，充分展示了這些技術(shù)的快速成形能力，比傳統(tǒng)工藝制造的噴管工序少、周期短，對制造大型噴管具有很大的潛力。

圖5 激光熔絲沉積技術(shù)制造噴管外殼

4 單壁結(jié)構(gòu)噴管

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管除采用再生冷卻結(jié)構(gòu)之外，也可采用燒蝕冷卻、薄膜冷卻和輻射冷卻等單壁結(jié)構(gòu)。燒蝕冷卻常用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，美國航天飛機(jī)固體助推器噴管就是采用燒蝕冷卻的單壁結(jié)構(gòu)，不過在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上也有應(yīng)用，如RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)、上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RL10B-2和J-2X等。歐洲航天局的“火神”2和日本的LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管都是在上半段采用再生冷卻方式，在下半段采用薄膜冷卻技術(shù)的金屬單壁結(jié)構(gòu)。輻射冷卻是利用熾熱物體的熱輻射向外散熱，一般用于熱流密度較小的噴管，“火神”2噴管的下半段也采用了輻射冷卻。

4.1 應(yīng)用于RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)的碳/酚醛燒蝕噴管

RS-68氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燒蝕噴管是碳/酚醛復(fù)合材料，這種材料可以暴露在超過3316℃的高溫氣體下，具有成本低、制造周期短以及制造技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但這種噴管最大的缺點(diǎn)是質(zhì)量大，因此，常用于大型運(yùn)載火箭的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和大型助推器。

碳/酚醛燒蝕噴管是現(xiàn)代固體火箭最早使用的一種噴管，從20世紀(jì)60年代到80年代初，無論大型發(fā)動(dòng)機(jī)還是小型發(fā)動(dòng)機(jī)，噴管大多采用這種材料。目前也仍在一些固體發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，如美國民兵導(dǎo)彈、MX導(dǎo)彈等的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛機(jī)固體助推器發(fā)動(dòng)機(jī)、美國重型運(yùn)載火箭“戰(zhàn)神1”的第一級(jí)、法國阿里安3～5的助推器，以及日本H-2火箭的助推器等。

4.2 應(yīng)用于J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)的碳／碳燒蝕噴管

J-2X噴管的上半段采用再生冷卻的縱向管束結(jié)構(gòu)，下半段沿用了德爾它4上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RL-10B-2的碳/碳噴管技術(shù)。這種噴管技術(shù)由美國普惠航天推進(jìn)公司（P&W SP）與法國歐洲推進(jìn)器公司（SEP）合作研制，所選材料為法國SEP公司研制的三向加固（3D）碳/碳材料。這種材料由聚丙烯腈（PAN）基碳預(yù)成型通過化學(xué)蒸汽滲透（CVI）工藝添加碳基材制成，預(yù)成型采用SEP的專利NOVOLTEX方法構(gòu)成，通過自動(dòng)針刺工藝定位三向加固。NOVOLTEX工藝自然地形成3D，在所有方向產(chǎn)生了極佳的機(jī)械性能，比用于碳/碳出口錐和NOVOLTEX工藝的2D漸開工藝更可靠，更易于制造。

錐段預(yù)成型需要三個(gè)工藝步驟：先碳化到900℃；再進(jìn)一步碳化到1600℃；通過一個(gè)相對短暫的碳化學(xué)蒸汽滲透（CVI）工藝進(jìn)行硬化處理，然后從石墨夾具上移除剛性預(yù)成型件，并嵌套在CVI爐中的兩個(gè)架子頂部進(jìn)行第一個(gè)長周期的致密化處理。可將兩套噴管同時(shí)致密化處理以提高效率。首次致密化循環(huán)后，錐段要進(jìn)行粗加工后再放置在CVI爐中進(jìn)行二次致密化循環(huán)，然后把錐段加工到最終形狀并檢測，最后將加工好的噴管用指型鎖和螺釘連接到相應(yīng)的位置。

4.3 “火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)的薄膜冷卻噴管

“火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管由沃爾沃宇航公司設(shè)計(jì)制造，將“火神”發(fā)動(dòng)機(jī)排放冷卻噴管改為兩部分組成的大噴管替代，如圖6所示。噴管的上半部4.5～32面積比段為排放冷卻段, 噴管下半部32～60面積比段采用鐘形裙體，由鈑金件焊接而成，裙體外焊有加強(qiáng)肋，以防徑向彎曲。金屬噴管使用單排薄膜冷卻，上面加工了大量的三維小孔，冷卻裙用螺栓安裝在出口處。試驗(yàn)結(jié)果顯示，和“火神”1發(fā)動(dòng)機(jī)全排放冷卻方式相比，“火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)比沖有所提高。

圖6 “火神”2噴管冷卻方式

5 結(jié)束語

分析國外氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，可以看出，工藝復(fù)雜的管束式結(jié)構(gòu)逐漸退出，如美國SSME所用縱向管束式結(jié)構(gòu)、歐洲航天局“火神”2所用的螺旋管束式結(jié)構(gòu)等在最新型號(hào)中都由銑槽式結(jié)構(gòu)和單壁結(jié)構(gòu)所代替。結(jié)構(gòu)簡潔的銑槽式結(jié)構(gòu)將成為今后的主要發(fā)展方向，如采用激光焊接的銑槽式噴管、采用增材制造技術(shù)快速制造的大型噴管等。薄膜冷卻的單壁結(jié)構(gòu)作為噴管下半部分的候選，如“火神”2、LE-9及J-2X等噴管的下半段都采用了單壁結(jié)構(gòu)。美國RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)噴管選用的固體發(fā)動(dòng)機(jī)單壁噴管形式也是噴管結(jié)構(gòu)選擇的一個(gè)補(bǔ)充。歐洲航天局正在研制的先進(jìn)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)芬奇（Vinci）也采用了復(fù)合材料的單壁結(jié)構(gòu)。我國長征五號(hào)使用的YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)采用噴管是螺旋管束式結(jié)構(gòu)，工藝難度大，制造周期長，不適于重型運(yùn)載器推力的發(fā)展。未來重型220t氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的制造技術(shù)都要有很大的更新和發(fā)展，噴管也不例外。因此，需要借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，廣泛開展制造技術(shù)的研究，使研制水平有跨越式發(fā)展。

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Review on Fabrication Techniques of Liquid Rocket Nozzle

Zhang HanyiLiu Runze

(1. Science and Technology on Space Physics Laboratory, China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076; 2. Beijing Real Imaging Medical Technology Co., Ltd., Beijing 100089)

Based on the nozzles of LH2/LOX engine, this paper comprehensively analyzes the current situation of manufacturing technologies of LH2/LOX engine nozzles abroad, including the conical tubes of SSME in America, LE-7 engine in Japan, the tubes spiral wounded of Vulcain 1/ Vulcain 2 engine in the European Space Agency, and the sandwich structure of RD-0120 in Russia. The single-wall nozzle is simple in structure and is also used in LH2/LOX engines. In the end, the rapid fabrication techniques of the nozzles are introduced, such as Direct Metal Deposition (DMD) and Arc-Directed Energy Deposition (Arc-DED) of liner forming, Water Jet Milling (WJT) of channel slotting, and Freeform Deposition of channel closeout.

nozzle；brazing；laser welding；additive manufacturing

V434

A

張晗翌（1994），碩士，材料物理與化學(xué)專業(yè)；研究方向：防隔熱設(shè)計(jì)。

2020-10-12