“超重-星艦”不銹鋼貯箱的應(yīng)用

楊浩亮 李新宇 明愛珍 郄 旭 楊毅強(qiáng)

1.北京中科宇航技術(shù)有限公司；2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所

2023年1月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的新型研制型號(hào)“超重－星艦”進(jìn)行了首次加注合練和靜態(tài)點(diǎn)火，在90min內(nèi)注入了約4860t的低溫推進(jìn)劑，整個(gè)箭體重量超過5000t，成為人類有史以來最大的航天器。在加注完成之后的泄出過程中，“超重”芯一級(jí)B7不銹鋼貯箱變形，合計(jì)3處出現(xiàn)失穩(wěn)，形成凹坑。

“超重－星艦”的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)星際運(yùn)輸?shù)闹貜?fù)使用，如果每次補(bǔ)給燃料或飛行時(shí)，都會(huì)使其箭體發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變形，造成無法多次復(fù)用，安全性無法保證。根據(jù)“超重－星艦”的加注和泄出情況，本文對(duì)其不銹鋼貯箱的應(yīng)用和設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

一、“超重－星艦”簡(jiǎn)介

2019年，SpaceX開始快速迭代改進(jìn)“超重－星艦”，堅(jiān)持小步快跑的方式，旨在最終將人類送上火星、月球、其他深空目的地和地球周圍的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)旅行。以近地軌道的運(yùn)載能力作為比較，NASA載人登月火箭的“土星5號(hào)”運(yùn)載能力為118t，“超重－星艦”運(yùn)載能力在可重復(fù)使用的狀態(tài)下高達(dá)150t，在不重復(fù)使用的狀態(tài)下可達(dá)250t。

“超重－星艦”總高度約為120m、直徑9m，芯一級(jí)安裝33臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)；開發(fā)測(cè)試?yán)砟钍恰皽y(cè)試、飛行、失敗、修復(fù)、重復(fù)”，原型開發(fā)測(cè)試從2018年12月開始，至今已經(jīng)建造并測(cè)試了20余個(gè)原型?！懊颓荨卑l(fā)動(dòng)機(jī)是全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用液態(tài)甲烷和液氧作為推進(jìn)劑，具有高可靠性和低成本的優(yōu)勢(shì)，“猛禽”第二代發(fā)動(dòng)機(jī)可提供220t推力，造價(jià)低于25萬美元。2022年11月，SpaceX公司的“星艦”S24和“超重”B7“合體”，“合體”之后，對(duì)發(fā)射塔的快速斷開（QD）接口進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其不銹鋼貯箱加注液氮開展低溫測(cè)試，在合練加注泄出的過程中，不銹鋼貯箱出現(xiàn)了3處失穩(wěn)導(dǎo)致的凹坑。

二、傳統(tǒng)運(yùn)載火箭貯箱

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)火箭箭體結(jié)構(gòu)的輕量化，傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的貯箱均采用鋁合金貯箱，且直徑一般不超過5.2m。隨著運(yùn)載火箭運(yùn)載能力要求不斷提高，傳統(tǒng)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)。

第一代貯箱為鋁鎂合金焊接貯箱，采用材料為5A06，焊接性能良好。第二代貯箱采用鋁鋰合金2A12、2A14（LD10），其抗拉和屈服強(qiáng)度大幅度超過第一代鋁鎂合金，但焊接性能急劇下降，在熱處理強(qiáng)化狀態(tài)下焊接，易產(chǎn)生焊縫金屬凝固裂紋及近縫區(qū)母材液化裂紋，焊縫脆性大，工藝實(shí)施要求高。第三代鋁合金選用鋁鋰合金2219，引入攪拌摩擦焊工藝，克服了第二代鋁合金貯箱焊接的難題，進(jìn)一步提高了貯箱的抗拉和屈服強(qiáng)度。國(guó)外多選擇新型鋁鋰合金2195、2198作為第四代材料，在低溫條件下，第四代鋁合金具備良好的比強(qiáng)度和比剛度。

在貯箱成型工藝方面，整體旋壓成形技術(shù)已成為制造運(yùn)載火箭貯箱箱底的先進(jìn)工藝，該技術(shù)可簡(jiǎn)化貯箱箱底制造工藝，提高生產(chǎn)效率和貯箱可靠性。美國(guó)的“德爾塔”（Delta）系列火箭、“宇宙神”（Atlas）系列火箭、日本的H-2B 火箭的貯箱箱底、美國(guó)“戰(zhàn)神”1號(hào)火箭直徑為5.5 m的上面級(jí)2195鋁鋰合金貯箱箱底結(jié)構(gòu)均采用整體旋壓成形+熱處理工藝制造。

三、“超重－星艦”的不銹鋼貯箱

“超重－星艦”從2016年首次公開直至2018年底，并未采用傳統(tǒng)的鋁合金貯箱，而是采用碳纖維復(fù)合材料貯箱。2019年初，SpaceX推翻了“超重－星艦”原有的設(shè)計(jì)方案，將貯箱材料從高強(qiáng)度低重量的碳纖維復(fù)合材料變成工作常用的301不銹鋼，并報(bào)廢了結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、成本高昂的復(fù)合材料工裝（見圖1）。

圖1 成本高昂的復(fù)合材料貯箱模具

“超重－星艦”貯箱采用的不銹鋼是一種常規(guī)的材料，具備耐高溫、強(qiáng)度高、易加工、價(jià)格便宜、可室外焊接的特點(diǎn)，其密度是鋁合金的3倍，導(dǎo)致其極少出現(xiàn)在航空航天的領(lǐng)域。

1. 貯箱設(shè)計(jì)

運(yùn)載火箭的貯箱主要采用硬殼式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)，承受火箭運(yùn)輸、加注和飛行過程中貯箱內(nèi)部的壓力和軸向載荷。內(nèi)部元件主要包括箱體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、貯箱附件、管路系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)四大部分。箱體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括短殼、圓筒段和箱底，其中短殼、圓筒段傳遞軸向載荷，彎矩載荷以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架和級(jí)間桿系所引起的集中載荷。箱底與圓筒段相連組成一個(gè)封閉容器，主要承受內(nèi)壓載荷，短殼、圓筒段和箱底通過焊接成型為一壓力容器箱體，用于存儲(chǔ)推進(jìn)劑；貯箱附件主要指防晃裝置、防漩裝置、消能器等；管路系統(tǒng)主要指推進(jìn)劑輸送管路、增壓管路、加注管路等；絕熱系統(tǒng)可使推進(jìn)劑處于額定工作溫度，維持發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定而覆蓋于貯箱和輸送管路表面的絕熱材料。

前后短殼主要承受軸向載荷，選用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)或半硬殼式結(jié)構(gòu)；前后箱底主要承受貯箱內(nèi)壓載荷，選用硬殼式結(jié)構(gòu)；筒段是貯箱受力最復(fù)雜的位置，根據(jù)受拉和受壓工況設(shè)定結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體受力選擇結(jié)構(gòu)形式：前后短殼主要承受軸向載荷，選用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)或半硬殼式結(jié)構(gòu)；前后箱底主要承受貯箱內(nèi)壓載荷，選用硬殼式結(jié)構(gòu)；筒段是貯箱受力最復(fù)雜的位置，需要根據(jù)設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行判斷，采用公式計(jì)算折合軸向力：

式中：N為截面軸力，M為截面彎矩，f1和f2為安全系數(shù)，p=p0+nxhρg，p0為增壓壓力，液柱壓力為nxhρg，nx為過載，h為液柱高度。

當(dāng)T1＜0時(shí)，貯箱軸向受拉，以內(nèi)壓設(shè)計(jì)為主，軸壓校核為輔，采用光殼結(jié)構(gòu)。當(dāng)T1＞0時(shí)，對(duì)于貯箱軸向受壓，以軸壓失穩(wěn)作為主要的設(shè)計(jì)因素，采用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)上使用應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)應(yīng)力，確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生失穩(wěn)，不產(chǎn)生應(yīng)力強(qiáng)度破壞?！俺兀桥灐钡馁A箱設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)貯箱設(shè)計(jì)一致。

2. 不銹鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化方面，鋁合金相較不銹鋼具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是不銹鋼用在“超重－星艦”上的優(yōu)勢(shì)則是成熟的工業(yè)化和高性價(jià)比，是特殊環(huán)境下的特殊應(yīng)用。除了“超重－星艦”之外，歷史上蘇聯(lián)的“米格”25也采用了不銹鋼油箱結(jié)構(gòu)。采用輕質(zhì)化鋁合金結(jié)構(gòu)，在高馬赫飛行條件下，空氣摩擦溫度過高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)急劇下降，速度很難突破和提升。蘇聯(lián)另辟蹊徑直接采用不銹鋼飛機(jī)，雖然其質(zhì)量過大，很難執(zhí)行高難度任務(wù)，但是特殊的時(shí)代，速度優(yōu)勢(shì)還是得以發(fā)揮，可以甩開同時(shí)代的導(dǎo)彈，并突破了高馬赫防熱問題。

在現(xiàn)代的運(yùn)載火箭應(yīng)用中，印度GSLV-MK3火箭采用了大量不銹鋼來提高火箭的強(qiáng)度，替代輕質(zhì)化程度高的復(fù)合材料，雖然犧牲了運(yùn)載效率，但是通過火箭的數(shù)量、發(fā)射的批次和產(chǎn)能的突破來彌補(bǔ)了運(yùn)載效率的劣勢(shì)。

“超重－星艦”采用不銹鋼貯箱的最大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在產(chǎn)能和工藝的需求：不銹鋼貯材料相較鋁合金，焊接受溫濕度、環(huán)境的影響較小，可戶外大棚焊接、露天安裝。近4年的研制證明了“超重－星艦”采用不銹鋼的設(shè)計(jì)理念的正確性，自2020年2月的S1到2021年的3月的S11，失穩(wěn)、爆破、蚱蜢跳、下落解體、下落爆炸合計(jì)11枚，通過1年的快速驗(yàn)證，S15在2021年5月完成10km高空飛行并著陸。到目前，不但完成了“超重－星艦”的合練, 還完成了首次的飛行試驗(yàn)。

不銹鋼“超重－星艦”的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)高度繼承“獵鷹”9號(hào)，其動(dòng)力從最初設(shè)計(jì)的9臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，到24臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，再到最新的33臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，整體推力增加，通過大推力的提升解決不銹鋼的重量的問題，換來了整體運(yùn)載系數(shù)的提高。

四、“超重－星艦”合練加注與泄出的問題

2023年1月，“星艦”S24和“超重”B7總共被加注了4860t的甲烷和液氧，加上箭體本身和載荷的重量，可達(dá)6000t以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年“土星”5號(hào)，成為人類有史以來最為龐大的航天器。

加注過程合計(jì)90min，總體過程順利，全箭低溫推進(jìn)劑加注測(cè)試和所有的模擬發(fā)射前全流程演練測(cè)試工作都一次通過。但在泄出的過程中，全箭至少3處發(fā)生局部失穩(wěn)，“超重”的高度大約90m，整體縮短22mm。

發(fā)生箱體凹坑的原因主要有兩方面：一是大量甲烷和液氧低溫推進(jìn)劑的加注導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生了熱脹冷縮，4860噸位這個(gè)量級(jí)在工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)上沒有先例，熱平衡和熱交換不再是線性平衡的關(guān)系，非線性的問題突顯出來；二是貯箱內(nèi)部氣枕壓力釋放速率問題，貯箱的最優(yōu)化設(shè)計(jì)是利用內(nèi)壓平衡軸壓，兩者相減絕對(duì)值是設(shè)計(jì)貯箱的外部載荷依據(jù)，貯箱軸向受拉，以內(nèi)壓設(shè)計(jì)為主，軸壓校核為輔，貯箱軸向受壓，以軸壓失穩(wěn)作為主要的設(shè)計(jì)因素。在泄壓過程中，貯箱排氣閥打開，排氣速率應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，如壓力泄壓過快，導(dǎo)致軸壓過大，則會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)，形成凹坑。

箭體發(fā)生局部失穩(wěn)，暴露了“星艦”存在的問題，證明了“合練”的成功。

五、結(jié)束語(yǔ)

2023年4月20日，SpaceX發(fā)射了“超重－星艦”，起飛后，6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)相繼發(fā)生故障，飛行約239s后，火箭解體。失控后火箭在高空風(fēng)的作用下，箭體不斷旋轉(zhuǎn)，但結(jié)構(gòu)未發(fā)生解體，證明了不銹鋼箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，加上“超重－星艦”經(jīng)歷了加注、跨聲速飛行和大動(dòng)壓飛行，整個(gè)不銹鋼貯箱基本經(jīng)歷了飛行上升段的全部考核，證明了設(shè)計(jì)的合理性。