重型火箭新进展|重型氢氧发动机喷管研制成功

近日,中国航天科技集团有限公司一院211厂成功研制出重型氢氧发动机喷管,代表着一院211厂大尺寸不锈钢部件的扩散钎焊技术能力达到世界先进水平(www.saiao.net)。该喷管的成功研制,为我国大直径重型运载火箭的研制奠定了坚实的基础。

直径2.5米级再生冷却喷管入炉前准备工作

提到火箭发动机,最大、最引人注目的部分就是巨大的喷管。喷管的主要作用是将火箭推进剂燃料产生的高温、高压气体的热能转化为动能,从而让火箭获得巨大的推力。

一个优秀的喷管要符合这些基本要求:

耐高温。喷管要能承受住氢氧发动机近3000℃的超高温气体,热流密度与太阳表面接近;

耐高压。发动机喷出的气体速度非常快,喷管要承受数倍于大气压的高压,喷管必须结结实实,否则万一喷管开裂,后果非常严重;

超轻薄。为了火箭的整体质量和载荷考虑,喷管越轻越薄才好。

一院211厂研制的发动机喷管分为上、下两段,上段最大直径1.8米,下段最大直径2.5米,壁厚最薄处仅1毫米。采用内壁铣槽、外壁直接套接结构的扩散钎焊制造工艺。

焊接完成后的直径2.5米级再生冷却喷管

扩散钎焊是在高温下保温一定时间使焊件产生微量形变,采用熔化的中间金属夹层,让接触部分产生原子互相扩散,形成新的扩散层,从而实现可靠连接的压焊方法。这种方法可用于需要大面积结合的具有复杂内部通道的零部件的制造,构件变形小,尺寸精度高,且不会损失原材料本身。

所谓“铣槽”就是在喷管内壁上铣出一道一道的凹槽,再通过扩散钎焊工艺将内壁焊接到外壁上,这样喷管壁内部就形成了紧密排列的中空通道。

为什么要做成中空通道?

喷管的材料要承受近3000℃的高温,而火箭的推进剂——-253℃的液氢和-183℃的液氧就是现成的冷却剂。火箭设计师让液氢在进入燃烧室之前,先在这些中空的通道里高速流动,带走燃气传给喷管的热量,保护喷管不被烧毁。燃气传给液氢热量时对液氢进行预热,这部分热量最后又被液氢带回了燃烧室,得到了再生,因此这种设计的发动机喷管又叫做“再生冷却喷管”。

外壁型面则采取不加工直接拼焊成形的方式,尺寸大、刚性弱、型面精度控制难度大。推进剂经过火箭发动机涡轮泵的增压,喷管的夹层承受着巨大的压力,如果连接不牢,就会被巨大的液压作用力撑开,导致喷管损坏,火箭发射任务也就失败了。因此,在铣槽式喷管的制造中,内外壁的结合是否牢固,是否形成封闭的冷却通道非常重要。

大尺寸部件扩散钎焊工艺结构设计技术、工装高低温装匹配、大尺寸部件钎焊变形控制……一院211厂突破了一系列技术难题,实现了扩散钎焊技术从设备到工艺的全系统研究和应用,出色地完成了重型发动机再生冷却喷管的上、下段扩散钎焊,成功实现了直径2.5米级再生冷却喷管的扩散钎焊制造。

(原题为《重型火箭新进展|重型氢氧发动机喷管研制成功》)

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