【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!

昨天,我们非常兴奋地对外公布了一个大新闻,“天鹊”(TQ-12)80吨发动机喷管下线了。这个喷管之所以引人关注,是因为它采用了完全自主创新的激光焊夹层喷管工艺,使产品周期和产品成本都大幅度缩短和降低。这也是我国首个运用了激光焊夹层喷管工艺的火箭发动机喷管。

对于这个成果,我们工程师小哥哥们也是感触良多的,来听听蓝箭推力室研发团队负责人袁宇是怎么说的。

“伟大事业都始于梦想、基于创新、成于实干”,我们相信,任何宏伟的目标都是通过一次一次的积累实现的。

这个喷管直径1.02m,焊接仅用时2天;随着工艺的进一步成熟,具有压缩至10小时以内的潜力。喷管的成本仅为螺旋管束喷管的1/10左右。整套工艺方案、工装已于2018年全面申报发明专利。那么,这个“激光焊夹层喷管工艺”究竟是一种什么技术呢?

要了解它,首先你要知道——

什么是喷管?

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!大喷管是火箭发动机的显著特征

喷管其实大家都不会陌生,每次电视直播航天发射时候,火箭点火时那个喷出火焰的喇叭形的装置,就是喷管。它是火箭发动机推力室的一个重要装置。负责将推进剂燃烧产生的高温、高压燃气的热能转化为动能。大家平时看到的“大喇叭”其实是它的后半部分,喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉,也就是倒着的“小喇叭”。窄喉之后又由小变大向外扩张至出口,也就是我们看到的“大喇叭”。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由后半部喷出。这一结构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化,燃气通过喉部后,在喷管中进一步的膨胀、加速,马赫数从1增加至4左右,喷管出口处的燃气喷射速度高达3500m/s以上,以获得巨大的推力。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的,因此这种“喇叭形”的喷管被称为”拉瓦尔喷管”。可以说,喷管是火箭发动机比冲性能的保证。

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!△拉瓦尔喷管示意(网络图片)△

“大喇叭”原来是夹心巧克力

喷管是典型的大直径、薄壁零件,大推力液体火箭发动机在工作时,喷管需要承受燃气剧烈的高温加热,燃气温度在1000~3000摄氏度之间,扩张段表面热流密度在4~20MW/m²之间,与太阳表面的热流密度接近。即使是人类目前掌握的最好的耐高温金属材料,也无法承受如此巨大的热流。因此在液体火箭发动机上,一般使用推进剂来对喷管进行冷却。具体方式就是将喷管的结构做成夹层的,让推进剂在进入燃烧室之前,先在夹层里高速流动,带走燃气传给喷管的热量,保证喷管不被烧毁。简单理解,就像是一块巧克力里面包着冰,即使外边温度已经达到了熔点,巧克力也没那么容易化。

制造“夹心” 不简单

对液体火箭发动机再生冷却喷管,既要求其有足够的结构强度、刚度,以承受轴向的推力、内部的液压、强烈的震动;又要求其重量尽可能轻,以提高发动机推重比。同时,喷管的扩张型面精度还应与设计理论型面接近(如最大推力型面),以使燃气以最优的方式膨胀,获得最高的比冲。因此,再生冷却夹层式喷管的制造,一直以来都是液体火箭发动机生产中的难题。

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!

目前,在工程应用中,夹层式喷管结构,一般有波纹板式、铣槽式和管束式等三种。波纹板式夹层喷管是在喷管的内壁和外壁之间加入一圈一圈的波纹板,波纹板的“波峰”“波谷”分别于内外壁连接。这种喷管在我国的肼类燃料发动机上应用较多

铣槽式喷管结构由喷管内壁和外壁组成,在钟型的内壁上,以铣削的方式加工出几百个沿轴向方向的凹槽,槽与槽之间保留的部分称为“肋”。通过特殊的工艺,将几百个肋与喷管外壁连接起来,形成几百个封闭的流动通道的喷管夹层结构。高压的推进剂在这些封闭的流动通道内流动,由几百个肋来承受内外壁之间的液压作用力,保证喷管不被撑开。我国的液氧煤油高压补燃发动机的再生冷却喷管使得就是用铣槽式结构。

管束式喷管,按管子的排列形式来分,可以分为直列式和螺旋式。直列管束喷管曾在美国的液体火箭发动机上得到广泛应用,著名的“土星5号”登月火箭的F-1发动机就是直列管束式再生冷却喷管。但是直列式管束喷管所使用的变截面管成型工艺、管束钎焊工艺很复杂,管间焊缝无法承受大于10MPa以上的压强,因此进入20世纪90年代以后,世界范围内新研制的液体火箭发动机均无采用直列管束喷管的案例,该工艺技术已经被淘汰。

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!△直列管束式喷管△

而螺旋管束喷管,是采用数百根方形等截面的高温合金薄壁管(管壁仅有0.3mm)通过改变螺旋升角的方式拼成,采用手工氩弧焊或机器人将管子与管子的拼接缝焊接在一起。这种喷管具有质量轻、刚性好、使用寿命长等优点,缺点是管子成型工艺复杂、焊接难度大、价格高昂。我国在20世纪80年代对螺旋管束喷管技术进行攻关并获得成功,目前主要应用在液氧液氢发动机上。

 铣槽式喷管连不牢。焊它!

铣槽式喷管的制造流程中,最关键的是内外壁的结合工艺,即内壁的肋与何种方式与外壁处处均形成可靠的连接,以形成封闭的冷却通道。由于推进剂经过液体火箭发动机涡轮泵的增压,其压强往往达到几十至几百个大气压,远远高于喷管内部燃气的压强(燃气压力仅有0.2~10个大气压),喷管的夹层承受着巨大的液压作用力,如果夹层的内层与外层没有牢牢的连接,就会被巨大的液压作用力撑开,导致喷管结构破坏,火箭飞行失败。而连接他们的方式,最主要的就是——焊接。

在传统工艺中,一般以真空加压钎焊工艺来制造铣槽式喷管。这种工艺通过冲压、旋压、铣削、电镀、加压钎焊等工序进行制造。

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【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!△真空加压钎焊喷管焊后出炉的情景△

这种工艺由前苏联于20世纪50年代发明,具有工艺成熟、焊接效率高、焊缝均匀、密实,无泄漏、结合强度高等优点,是前苏联/俄罗斯、中国的的液体火箭发动机喷管主流制造工艺。但是,该套工艺对于焊接设备、工艺队伍、资金投入、工艺开发周期等都有非常苛刻的要求,更适用于研发资金、工艺队伍雄厚的大型国营航天集团。 

激光焊 降成本的好方式

从1996年开始,瑞典Volvo航天公司开始研发一种低成本、高可靠的铣槽式喷管制造新技术-激光焊接夹套式喷管技术。其喷管的截面结构与传统的铣槽式喷管一致,只是在内外壁的连接方式上,采用了高功率的激光从外面将外壁和内壁的肋沿喷管纵向焊接至一起的方式。

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!△激光焊接夹层结构的原理和典型剖面△

通过十年的攻关,他们通过开发实时的X射线焊缝跟踪系统等一系列技术,解决了这项工艺的两大难题:一是精确定位外壁下被遮挡的肋;二是控制喷管结构的变形,以保证焊接工艺参数(间隙、偏移)在要求的范围内。Volvo曾经为美国预研型号RL-60发动机、欧洲预研型号Vulcain X发动机生产了喷管样件。但是由于欧空局近十年来液体火箭发动机项目寥寥无几,该技术尚未在火箭发动机正式型号上使用。

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!△Volvo喷管激光焊接过程△

这种技术与真空加压钎焊技术相比:

  • 焊缝强度高,承压能力强,产品可靠性高;

  • 全自动焊接,对人的依赖小,产品一致性好;

  • 无电镀、无烟雾、无辐射,对环境影响小;

  • 焊接速度快,便于批量制造,生产效率高;

  • 一台喷管耗电几十度,能耗小,焊接成本低;

  • 无需特殊条件,大气环境操作,可焊工件大。

 激光焊≠激光焊

激光焊接夹层喷管技术所具有的的优点,使之成为商业航天企业最优的喷管制造工艺方案。我们的“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机喷管的制造工艺就采用了激光焊,但是,蓝箭的激光焊工艺已经和瑞典Volvo的技术有所不同。一年多时间里,我们的工程师不断试验成功实现了自主创新,与Volvo方案的相比有如下不同:

  • 无需使用内壁肋条X光在线定位系统,大幅度降低了设备的复杂性和成本;

  • 喷管型面是直接成型,无需涨型,Volvo的方案焊接后需将直锥涨形至最终型面。

  •  喷管在竖直状态下焊接,操作方便,产品变形小;

  • 使用大型机器人来焊接,柔性化程度高,可达面积大,兼顾发动机其他零组件焊接。

【解密天鹊】来来来,激光焊夹层喷管工艺了解一下!

目前,我们定制的机器人激光焊接工作站整套设备最大焊接功率8000W,最大可焊深度10mm,最大可焊直径接近2m的喷管,适应各类不锈钢、高温合金、铜合金、铝合金、铜-钢异种金属、高温合金-不锈钢异种金属焊接,满足未来二级发动机、上面级发动机大面积比喷管焊接需求,同时可以为国营航天型号、科研院所提供快响应的焊接服务。

*部分图片及资料来源于互联网*

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北京蓝箭空间科技有限公司(蓝箭航天)是从事火箭研制和运营的民营企业,国际宇航联合会(IAF)会员、国家高新技术企业。公司聚焦中小型商业航天应用市场,致力于研制具有自主知识产权的液体燃料火箭发动机及商业运载火箭,凭借一流的技术研发团队,以高度集成的设计能力和单机创新能力完成产品设计、制造、测试和交付全流程任务,为全球市场提供标准化发射服务解决方案。

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