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國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)技術(shù)分析報(bào)告（2020年版）

火箭箭體結(jié)構(gòu)是火箭承受各種載荷的支撐構(gòu)件的總成，它像人的軀體一樣，把火箭的有效載荷、飛行控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)等聯(lián)結(jié)成一個完整的整體，形成流線形的光滑外殼，保護(hù)著箭體內(nèi)部的儀器設(shè)備。因此，人們俗稱它為火箭的殼體。

箭體結(jié)構(gòu)一般由有效載荷整流罩、推進(jìn)劑貯箱、輸送系統(tǒng)元件、儀器艙、級間段、發(fā)動機(jī)架和尾段等幾部分組成。

有效載荷整流罩是有效載荷或末級火箭的包封部件，其功用是在大氣層飛行段保護(hù)有效載荷。罩的外形隨有效載荷的大小、形狀和氣動特性而定，一般采用錐—柱或錐—柱—錐型硬殼式結(jié)構(gòu)。

推進(jìn)劑貯箱是貯存推進(jìn)劑的容器，也是火箭的承力結(jié)構(gòu)。貯箱占火箭體積的大部分?；窘Y(jié)構(gòu)形式，按形狀可分為圓柱形、錐—柱組合形、截錐形、球形、環(huán)形和扁豆形等；按受力形式可分為受力式和非受力(懸掛)式；按貯箱的相互關(guān)系可分為獨(dú)立式(彼此可通過箱間段相連)和整體(共底)式；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為硬殼式、半硬殼式和網(wǎng)格式等。此外，為了總裝對接和布局需要，貯箱前、后兩端常帶有前、后短殼。

運(yùn)載火箭貯箱工藝技術(shù)及發(fā)展趨勢情況（附報(bào)告目錄）

1、運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)整體向著大型化，模塊化的發(fā)展方向推進(jìn)

作為航天技術(shù)的基礎(chǔ)，航天運(yùn)輸系統(tǒng)的技術(shù)水平代表著一個國家自主進(jìn)出空間的能力。確?？煽?、安全、快速、機(jī)動、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地進(jìn)出空間，不僅是未來實(shí)現(xiàn)迅速部署、重構(gòu)、擴(kuò)充和維護(hù)航天器的基礎(chǔ)，也是大規(guī)模開發(fā)和利用空間資源的前提。從目前來看，作為航天運(yùn)載系統(tǒng)的主力之一運(yùn)載火箭正向著大型化、系列化、組合化方向發(fā)展，而且各航天大國主流運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代已經(jīng)或即將完成。

相關(guān)報(bào)告：北京普華有策信息咨詢有限公司《國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)技術(shù)分析報(bào)告（2020年版）》

作為運(yùn)載火箭關(guān)鍵分系統(tǒng)之一的箭體結(jié)構(gòu)，其推進(jìn)劑貯箱多采用高強(qiáng)鋁合金材料經(jīng)拼裝焊接而成，屬于大型薄壁鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，一方面作為液體容器實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的貯存、增壓輸送等功能，另一方面作為火箭主結(jié)構(gòu)傳遞飛行作用力。我國目前正在研制新一代運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)，包括未來的重型運(yùn)載火箭貯箱，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化要求，可靠性要求，先進(jìn)性要求也越來越突出。

隨著運(yùn)載火箭運(yùn)載能力要求的不斷提高，運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)整體向著大型化，模塊化的發(fā)展方向推進(jìn)；共底結(jié)構(gòu)形式在國外大型貯箱結(jié)構(gòu)中得到更多地應(yīng)用；高效輕質(zhì)新型材料得到更多應(yīng)用，結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)化，但需特別注意工藝適應(yīng)性；貯箱結(jié)構(gòu)可靠性的提高，需要不斷推進(jìn)新型高可靠工藝的應(yīng)用；貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與先進(jìn)輕質(zhì)材料、先進(jìn)制造技術(shù)更加緊密結(jié)合，共同推動著結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、高效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2、高強(qiáng)度鋁鋰合金火箭貯箱攪拌摩擦焊接工藝

（1）先進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)

焊接是制造鋁鋰合金航天構(gòu)件產(chǎn)品的重要工藝之一。前蘇聯(lián)曾對1420、1460合金焊接工藝進(jìn)行了深人研究。20世紀(jì)末，攪拌摩擦焊技術(shù)逐漸成為鋁鋰合金理想焊接工藝。鋁鋰合金在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)有效破碎待焊表面的氧化膜，焊接產(chǎn)生的摩擦熱低于母材熔點(diǎn)，避免了合金中鋰揮發(fā)，有效減少焊接接頭的氣孔、裂縫等缺陷，使鋁鋰合金焊接接頭強(qiáng)度、斷裂韌性都顯著提高，達(dá)到母材的70%~87%。

目前，歐美等國家已實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊在運(yùn)載火箭貯箱上的工程化應(yīng)用。下圖為攪拌摩擦焊在美國宇航產(chǎn)品中的應(yīng)用。美國Atlas系列、Delta系列等火箭貯箱縱焊縫以及日本H-2B火箭貯箱的筒段縱焊縫和對接環(huán)焊縫均采用攪拌摩擦焊技術(shù)。美國SpaceX軌道公司以2198鋁鋰合金為原材料，用攪拌摩擦焊完成Falcon 9火箭貯箱箱體環(huán)縫焊接制造，并在2010年6月4日成功實(shí)現(xiàn)飛行試驗(yàn)。

攪拌摩擦焊在美國宇航產(chǎn)品中的應(yīng)用

資料來源：普華有策整理

（2）運(yùn)載火箭鋁合金貯箱全攪拌摩擦焊接工藝現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊技術(shù)是1991年英國焊接研究所發(fā)明的一項(xiàng)新型固相焊接技術(shù)。由于焊接溫度未達(dá)到輕質(zhì)合金熔點(diǎn)，可以有效避免輕質(zhì)合金熔焊過程中易出現(xiàn)的氣孔、夾雜、熱裂紋等冶金缺陷，該技術(shù)的出現(xiàn)為輕質(zhì)合金的焊接帶來了革命性的變化。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)便使得工業(yè)界產(chǎn)生了極大的興趣，尤其是航天領(lǐng)域。美國宇航機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)在運(yùn)載火箭貯箱上的規(guī)?；こ虘?yīng)用。例如:波音公司率先應(yīng)用于Deltall火箭中間艙段的制造，并于1999年8月17日成功通過飛行考核，之后推廣應(yīng)用于Deltall、DeltaIV、航天飛機(jī)外貯箱的承壓筒段制造；此外，美國NASA實(shí)現(xiàn)了AresI火箭的中5.5m箱底及03.6m獵戶座載人飛船的全攪拌摩擦焊接。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的優(yōu)勢逐漸被認(rèn)識，我國也開始將該技術(shù)應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)件的制造中。經(jīng)過近十多年的技術(shù)攻關(guān)，首都航天機(jī)械公司逐步掌握了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭貯箱全攪拌摩擦焊接制造的所有關(guān)鍵工藝，并逐步實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)載火箭貯箱筒段、箱底以及總裝環(huán)縫上的工程化應(yīng)用和考核。

運(yùn)載火箭貯箱主體結(jié)構(gòu)及主焊縫示意圖

資料來源：普華有策整理

攪拌摩擦焊技術(shù)已經(jīng)成為運(yùn)載火箭鋁合金貯箱制造的發(fā)展趨勢。對實(shí)現(xiàn)全攪拌摩擦焊接貯箱的關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果表明：常規(guī)攪拌摩擦焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)貯箱簡段縱縫和箱底瓜瓣縱縫的高質(zhì)量焊接；采用可回抽攪拌頭和無匙孔焊接工藝可以滿足封閉環(huán)縫的無匙孔焊接，且回抽區(qū)域接頭力學(xué)性能完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;超聲相控陣檢測技術(shù)是可以檢測出攪拌摩擦焊縫的常見焊接缺陷，是攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的重要配套技術(shù);重復(fù)攪拌摩擦焊、“固相或熔焊填充+攪拌摩擦焊”、熔焊修補(bǔ)、摩擦塞補(bǔ)焊是攪拌摩擦焊工程應(yīng)用中的重要補(bǔ)焊手段，補(bǔ)焊接頭性能均可以達(dá)到50%以上。在上述關(guān)鍵技術(shù)獲得突破的基礎(chǔ)上，我國逐步實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)在運(yùn)載火箭貯箱筒段縱縫箱底主焊縫直至貯箱總裝環(huán)縫上的工程化應(yīng)用。

報(bào)告目錄：

第一章國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱發(fā)展概況1

第一節(jié)國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱發(fā)展?fàn)顩r1

一、運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)整體向著大型化，模塊化的發(fā)展方向推進(jìn)1

二、燃料貯箱薄壁整體箱底技術(shù)2

三、超輕量化的燃料貯箱研究3

四、貯箱簡段網(wǎng)格輕質(zhì)優(yōu)化設(shè)計(jì)4

五、液氧低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)輕質(zhì)優(yōu)化設(shè)計(jì)6

第二節(jié)國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)與材料發(fā)展?fàn)顩r7

第三節(jié)國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱制造工藝發(fā)展?fàn)顩r13

第四節(jié)可重復(fù)使用運(yùn)載器貯箱性能要求16

第五節(jié)運(yùn)載火箭貯箱未來發(fā)展趨勢21

第六節(jié)2016-2020年國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場容量分析34

一、中國運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場容量分析34

二、全球運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場容量分析35

第七節(jié)2021-2026年國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場容量預(yù)測35

一、中國運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場容量預(yù)測35

二、全球運(yùn)載火箭貯箱行業(yè)市場容量預(yù)測36

第二章國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)37

第一節(jié)一次性使用低溫貯箱熱防護(hù)設(shè)計(jì)37

一、內(nèi)絕熱式37

二、氦吹洗泡沫外絕熱式39

三、密封泡沫外絕熱式40

第二節(jié)重復(fù)使用運(yùn)載器低溫貯箱熱防護(hù)系統(tǒng)41

第三節(jié)火箭貯箱內(nèi)襯設(shè)計(jì)43

第四節(jié)火箭貯箱彈性層設(shè)計(jì)44

第五節(jié)火箭貯箱大溫差泡沫夾層共底設(shè)計(jì)44

一、夾層共底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)45

二、夾層材料選擇46

第六節(jié)大型共底貯箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化47

第七節(jié)無金屬內(nèi)襯碳纖維夏合材料貯箱抗?jié)B漏設(shè)計(jì)52

一、納米材料摻雜增強(qiáng)52

二、樹脂基體改性增韌55

三、鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)57

第八節(jié)低溫推進(jìn)劑貯箱大面積冷屏結(jié)構(gòu)59

第九節(jié)火箭貯箱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)62

第十節(jié)網(wǎng)格整體加筋貯箱圓筒殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)74

第十一節(jié)火箭貯箱增壓控制技術(shù)89

第三章國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱材料100

第一節(jié)火箭貯箱高強(qiáng)度鋁鋰合金材料100

第二節(jié)火箭貯箱超低溫用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料106

一、含金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料貯箱106

二、無金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料低溫貯箱108

第三節(jié)火箭液氧貯箱用聚合物基復(fù)合材料109

一、環(huán)氧樹脂109

二、氰酸酉樹脂110

第四節(jié)火箭低溫貯箱絕熱防護(hù)材料111

一、聚氨酯泡沫111

二、聚甲基丙烯跳亞胺(PMI|泡沫115

第五節(jié)火箭液氧貯箱用復(fù)合材料的測試116

一、材料與LO2的相容性116

二、低溫力學(xué)性能120

三、復(fù)合材料熱循環(huán)壽命分析120

四、氣密性121

第四章國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱制造技術(shù)122

第一節(jié)高強(qiáng)度鋁鋰合金火箭貯箱成型工藝122

一、瓜瓣成型125

二、旋壓成型封頭頂蓋136

三、叉型環(huán)139

四、箱體壁板140

五、近成型件性能142

六、鍛造性能143

第二節(jié)高強(qiáng)度鋁鋰合金火箭貯箱攪拌摩擦焊接工藝144

一、先進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)144

二、運(yùn)載火箭鋁合金貯箱全攪拌摩擦焊接工藝現(xiàn)狀145

第三節(jié)復(fù)合材料火箭貯箱成型技術(shù)147

一、熱固化成型147

二、電子束固化成型148

三、復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)149

第四節(jié)火箭貯箱大溫差泡沫夾層共底加工工藝156

一、薄壁面板攪拌摩擦焊工藝156

二、泡沫夾芯仿形加工158

三、共底膠接裝工藝162

四、夾層共底性能165

第五節(jié)貯箱絕熱層打磨機(jī)器人系統(tǒng)166

第六節(jié)基于滾動環(huán)的貯箱吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)工藝176

一、工藝過程分析177

二、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析178

第七節(jié)火箭貯箱檢驗(yàn)181

一、光纖光柵傳感器測量貯箱筒段軸壓試驗(yàn)的應(yīng)變181

二、無損x光檢驗(yàn)貯箱完整性188

三、貯箱承壓性檢驗(yàn)188

四、貯箱氣密性檢驗(yàn)189

第五章國內(nèi)外運(yùn)載火箭貯箱性能分析與數(shù)值模擬190

第一節(jié)火箭貯箱流固耦合分析190

第二節(jié)液體火箭貯箱增壓排液過程溫度場數(shù)值研究198

第三節(jié)液氫貯箱微重力噴射降壓特性數(shù)值模擬208

第四節(jié)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的運(yùn)載火箭貯箱故障診斷方法224

第五節(jié)重復(fù)使用運(yùn)載器低溫貯箱結(jié)構(gòu)疲勞壽命與可靠性分析233

第六節(jié)高壓射流沖擊對貯箱結(jié)構(gòu)的影響247

第七節(jié)充注率及氦氣增壓對低溫貯箱熱分層特性影響258

第八節(jié)火箭貯箱排氣對開式加注精度的影響268

第九節(jié)低溫液氧貯箱晃動過程的熱力耦合特性275

第六章國內(nèi)外重點(diǎn)運(yùn)載火箭貯箱結(jié)構(gòu)290

第一節(jié)美國土星一5號運(yùn)載火箭290

第二節(jié)美國宇宙神5號運(yùn)載火箭295

第三節(jié)美國德爾塔運(yùn)載火箭297

第四節(jié)美國SLS297

第五節(jié)美國Falcon一9303

第六節(jié)俄羅斯能源號火箭307

第七節(jié)俄羅斯安加拉號系列火箭308

第八節(jié)歐洲阿里安5號火箭.310

第九節(jié)日本H2B運(yùn)載火箭313

第十節(jié)中國長征五號運(yùn)載火箭314

第十一節(jié)中國長征六號運(yùn)載火箭316

第十二節(jié)中國長征七號運(yùn)載火箭317

第七章國內(nèi)運(yùn)載火箭貯箱發(fā)展水平評估與發(fā)展建議322