我國載人航天器大型密封艙結構制造技術

趙長喜

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

中國載人航天工程實施“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，推動了我國以載人航天器大型密封艙結構為代表的航天器制造技術的長足進步和跨越式發(fā)展。載人航天工程第一步，突破了鋁合金薄壁復雜結構密封艙體的低應力焊接、艙體的組合加工等多項重大制造技術創(chuàng)新，實現了蒙皮加筋結構載人密封艙體的高精度制造；載人航天工程第二步，突破了整體壁板結構高速加工、精密成形、變極性等離子弧焊接等多項重大工藝技術創(chuàng)新，實現了我國載人航天器由蒙皮加筋結構向整體壁板結構的跨越；載人航天工程第三步，突破了球面壁板精密成形、空間多自由度自動焊接、多移動機器人智能加工等多項重大技術創(chuàng)新，實現了我國空間站載人密封結構長壽命、高可靠制造。

1 蒙皮加筋結構載人密封艙制造技術

神舟飛船是我國首次自行研制的載人航天器，其返回艙和軌道艙結構是典型的蒙皮加筋焊接結構薄壁密封艙體(見圖1)，艙體由球面、錐面、柱面等復雜空間曲面組合而成。艙體開口法蘭多，既要保證尺寸、形狀和位置精度，又要保證密封性能要求；為了滿足返回燒蝕和氣動外形要求，對返回艙金屬殼體的輪廓度提出了嚴格要求[1-2]。

圖1 神舟飛船返回艙和軌道艙結構示意圖Fig.1 Re-entry module and the orbital module structures of Shenzhou spacecraft

1.1 大尺寸大形變超塑成形技術

為了提高返回艙密封可靠性，盡量減少結構焊縫，將返回艙上半部分蒙皮(球面+錐面)、密封大底蒙皮等設計為一體成形，整個蒙皮零件上沒有焊縫。由于成形的蒙皮零件尺寸和變形量大，這對成形工藝提出了挑戰(zhàn)。

超塑成形是利用材料在一定條件下具有幾十倍甚至上百倍于常溫塑性成形能力的一種成形工藝方法。超塑成形屬于熱成形，成形后零件隨爐冷卻，過程中應力得到充分釋放，因此，具有形變量大、低應力和壁厚均勻等突出優(yōu)點。

超大的產品尺寸給超塑成形設備也提出了非常高的要求，結合航天器產品單件研制模式，自主設計開發(fā)專用超塑成形設備更符合工程進度和經濟可行性要求。圖2為自主研發(fā)的大型超塑成形裝置，整套裝置由成形模具、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、保溫結構以及氣路等部分構成。

圖2 神舟飛船返回艙球段蒙皮結構及超塑成形設備Fig.2 Skin structure and the super plastic forming equipment of Shenzhou spacecraft

通過對材料超塑性能的優(yōu)化和試驗驗證，確定了成形工藝流程和過程參數，掌握了5A06、7475等鋁合金超塑成形規(guī)律，突破了大尺寸大形變鋁合金結構件超塑成形技術，并成功應用于返回艙球段蒙皮、密封大底蒙皮、航天員座椅蒙皮等零件的成形。

1.2 鋁合金薄壁復雜結構低應力焊接技術

神舟飛船的復雜構型決定了返回艙和軌道艙存在大量復雜薄壁空間曲面焊縫，且焊縫分布密集，使焊接應力、變形疊加，導致艙體焊接質量和變形控制難度極大，主要問題包括：

(1)鋁合金焊縫氣孔缺陷的控制問題；

(2)薄壁結構(典型壁厚2.5 mm)焊接的變形控制問題；

(3)復雜曲面結構上多個大型法蘭的形狀和位置精度控制問題。

為此，采用低應力焊接、逐點碾壓等創(chuàng)新性工藝技術，從原材料、工藝方法和過程控制等方面開展分析優(yōu)化和試驗研究。解決了薄壁復雜構型艙體焊接質量和變形控制難題，保證了艙體的焊后輪廓度及尺寸精度要求。

1.3 復雜薄壁密封艙結構組合加工技術

神舟飛船密封艙結構為復雜曲面構型，其中光學瞄準鏡法蘭、舷窗法蘭等零件構型復雜，采用傳統(tǒng)加工設備無法完成加工，需要四軸或五軸聯(lián)動數控加工中心，而當時僅有三軸數控機床。為此，提出了先分體加工，再組合加工的解決方案(見圖3)，亦即把一個復雜零件分解為兩個或多個簡單零件，加工完成后，再通過焊接，把多個零件組合形成一個復雜結構零件。

圖3 分體-組合加工示意圖Fig.3 Schematic diagram of split-combined processing

返回艙和軌道艙屬薄壁弱剛性結構，艙體的密封面(槽)、儀器設備安裝法蘭等產品關鍵尺寸和精度無法通過焊接工藝來實現。為此，提出了整艙結構組合加工的解決方案，亦即在艙體的關鍵零部件的特定部位預留一定的加工余量，在艙體焊接的關鍵環(huán)節(jié)，以及整艙焊接完成以后，安排艙體整體加工，從而實現艙體的各項加工精度指標。圖4為組合加工中和加工后的神舟飛船返回艙艙體。

圖4 神舟飛船返回艙艙體組合加工Fig.4 Combined processing of the Shenzhou spacecraft re-entry module

2 整體壁板結構載人密封艙制造技術

鑒于整體壁板結構元件的整體性，沒有焊縫和焊點，采用整體壁板可以顯著提高艙體的密封可靠性和壽命[3]。因此，天宮一號目標飛行器采用了整體壁板結構。其密封艙無論是尺寸大小、結構形式，還是精度和密封性指標等要求，對制造技術都提出了挑戰(zhàn)，需要突破整體壁板加工成形技術、高質量焊接技術、低應力制造技術等關鍵技術。

2.1 整體壁板結構加工成型技術

在整體壁板制造工藝中，關于切削加工和彎曲成形的先后順序有不同的選擇，根據產品精度、質量、批量、成本和周期等因素成為重要影響因素。綜合比較，為了保證單件研制的天宮一號高精度、輕量化和高質量等要求，提出了先平板狀態(tài)加工網格再曲面成形的工藝方案[4-5]。

大型復雜壁板構零件采用整體坯料“掏空”法加工，由于材料去除率高，加工變形大且效率極低，為此，提出了壁板高速加工技術方案，突破了適應高速加工的加工軌跡優(yōu)化、切削用量均一化處理、無應力裝夾等關鍵技術，大大提高了壁板零件的制造精度和效率。該技術成功應用于天宮一號密封艙結構整體壁板、大型端框和連接框的加工，實現了大型整體壁板結構的輕量化和高精度制造。

由于壁板被加工成了網格狀，并帶有高剛度法蘭，導致彎曲成形過程中網格筋容易失穩(wěn)開裂。為此，提出了先增加壁板零件的剛度，再進行彎曲成形的工藝方案。對于沒有法蘭的柱面壁板和錐面壁板，整塊壁板剛度一致性較好，采用滾彎工藝成形；對于帶法蘭壁板，整塊壁板在法蘭處剛度變化梯度大，采用增量壓彎成形。這樣利用現有傳統(tǒng)設備，通過工藝創(chuàng)新，巧妙地解決了壁板成形難題，圖5為成形后的錐面壁板和帶法蘭壁板零件。

圖5 錐面壁板和帶法蘭壁板零件Fig.5 Tapered panel and flanged panel parts

2.2 整體壁板結構高可靠焊接技術

在充分調研NASA、ESA和俄羅斯等國際先進宇航企業(yè)焊接技術的基礎上，綜合考慮了產品質量和可靠性要求、技術可獲得性、技術成熟度、單件產品研制的適應性、經濟可行性、裝備研制周期等產品生產性因素，通過對比分析，提出了變極性等離子弧焊接(VPPAW)技術工藝方案。

VPPAW焊接是專門為鋁合金焊接而開發(fā)的先進焊接方法，采用穿孔立焊工藝，既有利于焊縫正面和反面成形，又有利于焊接過程中熔池流動中氫的逸出，從而消除焊縫氣孔等焊接缺陷，被稱為鋁合金“零缺陷”焊接方法[6]。“國際空間站”也是采用VPPAW焊接方法。

當時VPPAW焊接技術國內還處于探索研究階段，沒有工程化應用基礎和條件，為此，采取產學研相結合的創(chuàng)新之路，突破了VPPAW縱縫和環(huán)縫自動焊接技術，并研究開發(fā)了相關焊接設備和工藝裝備，實現了VPPAW在天宮一號壁板結構上的工程化應用(見圖6)，焊縫一次合格率達到100%，填補了VPPAW焊接技術型號工程應用國內空白。

圖6 采用VPPAW焊接的天宮一號密封艙結構Fig.6 TG-1cabin structure welded by VPPAW

2.3 整體壁板結構的低應力制造

產品從材料制備到研制工藝各過程，必然會使產品材料內部產生不同程度的殘余應力。不適當的殘余應力就會存在應力腐蝕、氫脆、結構變形、降低精度等風險。長期以來，一直采用傳統(tǒng)的熱處理時效方法消除結構件中的殘余應力，由于鋁合金去應力時效溫度很低，因此，熱處理時效對殘余應力去除效果微乎其微，無法滿足產品質量和可靠性要求。

經過充分調研論證，首次將振動時效消除應力技術引入到航天產品的研制生產中來。通過控制激振器的激振頻率，工件內部殘余應力與振動動應力疊加而使材料屈服，從而使得工件中高殘余應力區(qū)域殘余應力得以消除，工件內部殘余應力水平顯著降低。

根據載人航天器結構零部件材料和工藝特點，把結構件分為框類、壁板類、口框類等類別，針對性采取殘余應力控制措施，振動時效消除應力的效果明顯優(yōu)于熱處理時效去應力，成功應用于天宮一號載人密封艙結構研制，實現了整體壁板、大型框類零件、口框法蘭零件等結構件的低應力制造。

此外，天宮一號整體壁板結構大型密封艙，還首次采用填充輕質填充物的方法開展水壓試驗，解決了大型艙體結構水量大、承壓過載導致結構破壞的風險問題；創(chuàng)新性地發(fā)明了非真空柔性收集室檢漏方法，解決了大型密封艙結構對大型收集室基礎設施的依賴。這一系列針對整體壁板結構制造技術的重大技術創(chuàng)新，形成了具有自主知識產權、符合我國國情、適應載人航天器研制特點的整體壁板結構制造技術體系，實現了我國航天器制造技術由蒙皮加筋結構向整體壁板結構的跨越。

3 長壽命高可靠超大型載人密封艙結構制造技術

我國載人空間站天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙均屬于超大型整體壁板結構密封艙。艙體超大尺寸與復雜型面構型、薄壁弱剛性、長壽命、高可靠等特點和要求相耦合，在復雜球面壁板的精密成形、空間曲線焊縫的高質量焊接、超大曲面密封面的精密加工、超大尺寸結構高精度裝配等方面對制造技術提出了挑戰(zhàn)。

3.1 球面整體壁板成形技術

節(jié)點艙是實現空間站各艙體交匯對接的樞紐，在空間站研制中具有舉足輕重的作用。和平號空間站節(jié)點艙采用球形蒙皮加筋結構，“國際空間站”節(jié)點艙采用整體壁板結構的圓柱和蒙皮加筋結構的前后錐的組合結構。而我國天宮空間站的節(jié)點艙首次采用球形壁板結構，這種結構設計在帶來諸多功能、性能優(yōu)點的同時，對產品的生產性和工藝性非常不利。

考慮到節(jié)點艙整體尺寸大小，又屬于單件研制，優(yōu)先方案應該是大坯料粗成形后進行整體加工成形。但該方案存在致命弱點，由于毛坯坯料厚度大，使得材料的力學性能會顯著下降。為此，提出了先平板狀態(tài)加工網格，再進行整體壁板球面成形的工藝方案。這樣既保證零件表面質量、精度和材料強度，又保證了形狀和位置精度，而網格壁板的球面成形就成為整個節(jié)點艙制造的技術關鍵和瓶頸。

經過工藝仿真分析，創(chuàng)新性地提出了離散形漸進成形工藝技術，將不可展開的球面壁板分解成多個小面積的球面壁板單元，多個單元按照類似蜂窩結構分布，按一定順序和軌跡成形。由于每個球面壁板單元面積小，成形變形量也小，成形難度就大幅度降低。最終突破了球形整體壁板的精密成形技術，研制完成了球形整體壁板結構節(jié)點艙產品(見圖7)。

圖7 球形壁板零件和節(jié)點艙結構Fig.7 Spherical integral panel parts and the node cabin structure

3.2 空間曲線焊縫自動化焊接技術

由于氣閘艙、節(jié)點艙等法蘭焊接采用空間曲線焊縫設計，如果采用手工焊，焊縫變形和焊縫質量一致性無法保證；而且由于焊接熱輸入量大，導致焊接殘余應力大，應力腐蝕傾向嚴重，存在應力腐蝕開裂風險[7]。這無疑成為空間站密封艙結構焊接的技術瓶頸和可靠性薄弱環(huán)節(jié)，因此，需要解決整體壁板結構空間曲面焊縫的自動化焊接難題。

節(jié)點艙法蘭空間曲線焊縫，是由球面和圓柱面相貫而形成的空間曲線，本質上是連續(xù)和非連續(xù)的圓形焊縫，因此，如果能夠實現巧妙的焊接變位就可以實現類似于環(huán)縫焊接的自動化焊接。為此，創(chuàng)新性地提出可組裝和分解的集焊接和變位于一體的組合式節(jié)點艙焊接工裝設計方法，實現了節(jié)點艙焊縫的100%自動焊(見圖8)。

圖8 節(jié)點艙焊接工裝和正在自動焊的節(jié)點艙Fig.8 Node cabin displacement welding fixture

氣閘艙出艙法蘭焊縫，是由兩個圓柱形面垂直相貫而形成的“馬鞍”型空間曲線。由于VPPAW采用穿孔立焊工藝，因此，必須保證焊接過程中，焊槍始終垂直焊縫并且維持立式向上的姿態(tài)[8]。而“馬鞍”型空間曲線每個點位的焊接姿態(tài)和位置都是動態(tài)變化的，這就要求焊接所用的焊接設備和工裝相互配合，實現多自由度的快速精準的變位功能。

為了突破空間曲線焊接復雜的變位難題，提出了將數控機床、精密轉臺和機器人等技術融合集成的創(chuàng)新思路，采用3軸數控基礎平臺+6軸機器人+2軸轉臺緊密集成，研制開發(fā)了11軸空間曲線VPPAW自動化焊接裝備(見圖9)，實現了空間站氣閘艙出艙法蘭等多個復雜焊縫的自動焊接，從而實現了空間站載人密封艙結構焊縫100%自動焊。

圖9 多自由度VPPAW焊接裝備及焊接的氣閘艙結構Fig.9 VPPAW equipment and the welded airlock structure

3.3 大型曲面密封副高效高精度加工技術

空間站夢天實驗艙結構中，布置有實現貨物進出艙功能的大尺寸電動艙門，艙門沿艙體圓柱面周向滑動實現開關門功能，艙門門體外弧面與門框上的密封圈配合實現艙門密封功能(見圖10)。

圖10 大尺寸曲面密封艙門示意圖Fig.10 Schematic diagram of large size curved hatch

由于艙門門體和門框輕量化設計，具有大量減輕槽和加強筋，材料去除率達到95%以上。同時，由于艙門尺寸大，艙門與艙體采用一體化設計，只有在艙門與艙體組合形成整體后，才具有較好的剛度，在零部件加工過程中，門體和門框整體剛度較弱，而且剛度梯度變化大[9-10]。這些特點無疑給艙門的加工精度、變形控制、精度穩(wěn)定保持等提出挑戰(zhàn)。

實施低應力制造是實現艙門高精度加工的基礎。為此，從材料、工藝和過程控制等方面制定了低應力制造的系統(tǒng)解決方案。首先，材料方面，對材料和毛坯制備提出殘余應力控制要求，采用振動消除應力工藝方法，保證材料毛坯內部殘余應力達到低應力水平。其次，工藝方面，采用車削、高速銑削等低應力加工方法，保證加工過程低應力。最后，過程控制方面，對產品研制工藝過程的關鍵階段和關鍵部位，采用X射線衍射方法進行殘余應力檢測，對產品殘余應力情況進行評價和調控。

低應力制造能夠保證產品精度的穩(wěn)定性，但如何實現艙門大尺寸曲面密封面(槽)的高精度則是又一大難題。采用大尺寸毛坯整體加工方案，除了材料機械性能低之外，更突出的問題是曲面密封面(槽)存在過切問題。為此，借鑒整體壁板加工經驗，采用先將艙門展開成平面，然后平面狀態(tài)下實現艙門密封面、密封槽的高精度加工，最后再通過精密成形保證大尺寸曲面密封副的配合精度，確保艙門密封副的高精度制造。

3.4 超大型艙體智能制造技術

天宮空間站超大尺寸載人密封艙結構，尺寸范圍遠超大型數控加工中心的加工范圍，無法實現整艙狀態(tài)的組合加工。但空間站大型弱剛性艙體的焊接變形和艙體大量儀器設備的高精度安裝接口要求，成為不可調和的矛盾體[11]。以空間站核心艙小柱段為例，其上安裝有太陽翼、機械臂等大型機構類產品，與艙體間存在200多個高精度安裝接口(見圖11)。

圖11 核心艙小柱段設備安裝接口示意圖Fig.11 Equipments interface for core cabin

采用傳統(tǒng)制造模式，建造超大型數控加工中心，現有的技術、經費和周期都是不現實的，對于單件研制型的空間站大型艙體產品而言也是不科學的。為此，創(chuàng)新性地提出了基于啄木鳥行為仿生技術的航天器智能制造模式，顛覆傳統(tǒng)的產品在加工設備間流轉的模式，構建基于移動機器人的大型航天器結構原位智能制造模式(見圖12)。突破了智能制造工藝規(guī)劃、基于移動機器人的智能加工和檢測等關鍵技術。以空間站超大尺寸載人密封艙結構為對象，實施適應航天器制造特點的智能制造模式和技術的應用實踐，解決了空間站超大尺寸載人密封艙結構制造瓶頸問題。

圖12 基于移動機器人原位智能制造模式示意圖Fig.12 Intelligent manufacturing mode based on mobile robot

4 結束語

載人航天器的長壽命、高可靠要求,對載人密封艙結構制造技術提出了挑戰(zhàn),經過30年來的集智攻關，突破了鋁合金薄壁結構制造變形控制、復雜整體壁板結構精密成形、空間曲面結構的高質量焊接、超大艙體結構低應力制造等載人密封艙制造核心技術，形成了蒙皮加筋結和整體壁板結構兩大類載人密封艙結構的完整制造技術體系。

載人航天工程30年的發(fā)展形成的制造技術成果，不僅服務于載人空間站工程，更是為中國航天器后續(xù)發(fā)展打下了堅實的基礎。載人航天工程形成的創(chuàng)新文化和質量文化，以及“特別能吃苦，特別能戰(zhàn)斗，特別能攻關，特別能奉獻”的載人航天精神，更是影響深遠。

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