劉觀日 吳 迪 姚重陽 占續(xù)軍 渠弘毅 吳會(huì)強(qiáng) 王非凡

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

航天材料及工藝技術(shù)是發(fā)展航天運(yùn)載器的基礎(chǔ)技術(shù)、先導(dǎo)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，是決定航天運(yùn)載器性能、質(zhì)量、可靠性和成本的基礎(chǔ)因素，貫穿于每一件航天產(chǎn)品及航天器的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)及使用維護(hù)的全壽命周期，其性能與水平在很大程度上制約著航天高技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)載器裝備的研制進(jìn)程，也是衡量我國航天產(chǎn)品和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一［1］。

隨著航天運(yùn)載器裝備迭代發(fā)展速度不斷加快，性能要求不斷提升，運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)不斷向整體化、大型化、輕量化發(fā)展，運(yùn)載能力與可靠性持續(xù)增強(qiáng)。航天運(yùn)載器不斷向高射程、高精度發(fā)展，打擊能力不斷提升；空天飛行器在天地往返運(yùn)輸、天基跨域等方向多面推進(jìn)，空天安全裝備體系加快構(gòu)建。新型航天運(yùn)載器的發(fā)展需要先進(jìn)材料與先進(jìn)工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新予以全面支撐［2?3］。本文介紹了當(dāng)前我國航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)主要采用的先進(jìn)主體結(jié)構(gòu)材料和先進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)用情況與研究進(jìn)展，并對未來研究與發(fā)展需求進(jìn)行了工作展望。

1 航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)概述與發(fā)展趨勢

航天運(yùn)載器通?？砂凑湛傮w、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、控制、發(fā)射支持、有效載荷等重要專業(yè)系統(tǒng)［2?3］，其中結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是運(yùn)載器的“脊梁”，是所有系統(tǒng)及其功能實(shí)現(xiàn)的基本載體。圖1所示為典型液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)，箭體結(jié)構(gòu)主要由貯箱和艙段兩大類結(jié)構(gòu)組成，共同形成箭體維形、結(jié)構(gòu)傳力、增壓輸送及其他系統(tǒng)儀器電纜安裝載體。貯箱結(jié)構(gòu)除了承力以外，還用于貯存液體推進(jìn)劑。艙段結(jié)構(gòu)是除了貯箱以外的箭體結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱，包括了整流罩、級間段、箱間段、翼舵、口蓋、特殊功能快速鎖等結(jié)構(gòu)。

圖1 液體運(yùn)載火箭組成示意圖［2］Fig.1 Composition of liquid rocket

隨著空間站建設(shè)、載人登月、行星探測等重大航天工程的提出，我國航天運(yùn)輸任務(wù)需求已進(jìn)入持續(xù)快增長階段，運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的尺寸大型化、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和重復(fù)使用化。在尺寸大型化方面，以10 m 級超大直徑重型運(yùn)載火箭為典型代表的箭體結(jié)構(gòu)的研制已成為航天強(qiáng)國建設(shè)的重要標(biāo)志之一。在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化方面，箭體結(jié)構(gòu)效率，高性能材料的研發(fā)與應(yīng)用、整體化高精度制造技術(shù)應(yīng)用是關(guān)鍵。在重復(fù)使用化方面，回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、返回防熱結(jié)構(gòu)研制已形成迫切需求。

除了常規(guī)構(gòu)型的運(yùn)載火箭，航天運(yùn)載器的研究交叉越發(fā)明顯，空天跨領(lǐng)域結(jié)合飛行器已成為這類航天運(yùn)載器在當(dāng)前世界航天角逐的技術(shù)前沿，尤其是快速多模航天運(yùn)載器的發(fā)展更是研究熱點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)在抗極端力熱環(huán)境承載的艙段、翼舵及熱防護(hù)需求［4］。以美國的快速全球打擊計(jì)劃為例，已先后完成X37?B軌道試驗(yàn)飛行器、HTV?2“助推?滑翔”組合飛行器系統(tǒng)、X?51巡航飛行器等研制，該類運(yùn)載器結(jié)構(gòu)因其特殊飛行任務(wù)剖面，在具有滿足傳統(tǒng)航空航天飛行器承受載荷、安裝設(shè)備和提供構(gòu)型的主要功能基礎(chǔ)上，還具有包含空間、再入等環(huán)境的適應(yīng)性、重復(fù)使用條件下的結(jié)構(gòu)耐久性及損傷容限特性以及承受包含著陸在內(nèi)等非傳統(tǒng)航天載荷的能力?？仗爝\(yùn)載器結(jié)構(gòu)發(fā)展主要呈現(xiàn)輕質(zhì)化、整體化、高耐溫、高精度等趨勢，結(jié)構(gòu)功能一體化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用已成為結(jié)構(gòu)提升的重要途徑。

2 航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)先進(jìn)材料應(yīng)用與發(fā)展展望

高性能材料是航天運(yùn)載器研制發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，輕質(zhì)、高強(qiáng)度是航天結(jié)構(gòu)材料的永恒追求。由于需要在高應(yīng)力、超高溫、超低溫、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，運(yùn)載器性能設(shè)計(jì)高度依賴所選用結(jié)構(gòu)材料本身所具有的特性和功能。目前，國內(nèi)外航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)材料主要涉及輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料（高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金、鈦合金、高溫合金等）和輕質(zhì)復(fù)合材料（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料等），同時(shí)也開展了智能變形材料的探索研究。

2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料

2.1.1 高強(qiáng)鋁合金

鋁及鋁合金因其密度低、力學(xué)性能好、加工性和焊接性優(yōu)良，在彈箭體艙段、貯箱、支架等結(jié)構(gòu)獲得了廣泛應(yīng)用，是世界上大多數(shù)航天運(yùn)載器的主體結(jié)構(gòu)材料［5］。

高強(qiáng)鋁合金作為航天應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料，主要包括2XXX 系和7XXX 系鋁合金，按照我國航空航天發(fā)展歷程可以分為5 個(gè)階段［6］。以2A12、2014、7A04 為代表的第一代高靜強(qiáng)度鋁合金和以2219、7A09、7075 為代表的第二代高強(qiáng)耐蝕鋁合金在我國長征系列運(yùn)載火箭及彈體中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。以7050 為代表的第三代高強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金和以7A60、7055、7056 等第四代高耐損傷系列的高強(qiáng)鋁合金正處于航天推廣應(yīng)用階段，同時(shí)以7085 為代表的第五代高強(qiáng)高韌低密度、低淬火敏感性鋁合金也已進(jìn)入新一代運(yùn)載火箭研制的應(yīng)用評價(jià)環(huán)節(jié)。盡管超高強(qiáng)鋁合金在強(qiáng)度性能取得了重要突破，如7055?T6拉伸強(qiáng)度已經(jīng)超過700 MPa，但是力學(xué)性能的大幅提升也造成了塑性降低、淬透性差、淬火殘余應(yīng)力大、機(jī)加工變形等一系列問題，這是超高強(qiáng)鋁合金開發(fā)和應(yīng)用亟須解決的關(guān)鍵難題。

鋁鋰合金具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐蝕性好、低密度等一系列優(yōu)勢，用于取代傳統(tǒng)高強(qiáng)Al?Cu 合金可為航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)帶來顯著減重效果。以2195、2198 為代表的先進(jìn)鋁鋰合金已經(jīng)在航天飛機(jī)外掛貯箱、Falcon 9 火箭等型號(hào)中已經(jīng)得到了成熟應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前國內(nèi)在1420、2195、2A97等鋁鋰合金的小規(guī)格材料制備，并在衛(wèi)星支架、桁條、彈頭頭罩等結(jié)構(gòu)中取得了重要應(yīng)用，進(jìn)一步突破大規(guī)格的鋁鋰合金的原材料低成本制備、塑性成形、熱處理、焊接等技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國航天結(jié)構(gòu)輕量化研制的關(guān)鍵。

隨著航天裝備輕量化發(fā)展要求的不斷提升，超輕質(zhì)、超高強(qiáng)度、超高模量、高耐熱、高耐蝕等綜合性能的新型鋁合金及鋁基復(fù)合材料研發(fā)也越來越受到航空航天領(lǐng)域的重視。以Sc、Er 元素強(qiáng)化的高可焊耐蝕鋁鈧合金（5B70、5028、5024 等）、鋁鉺合金為國防軍工產(chǎn)業(yè)開辟了特殊條件應(yīng)用的新領(lǐng)域，進(jìn)一步開展自主創(chuàng)新研究、推動(dòng)制造工藝成熟化和低成本化已成為工程應(yīng)用關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1.2 高強(qiáng)耐熱鎂合金

鎂及鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)工程材料之一，具有比強(qiáng)度、比模量高、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、減震系數(shù)高、電磁屏蔽性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，我國作為世界上鎂資源最豐富的國家，原鎂的年產(chǎn)量占到了世界總年產(chǎn)量的80%，推動(dòng)鎂合金替代鋁合金實(shí)現(xiàn)航天結(jié)構(gòu)減重具有天然優(yōu)勢。

高強(qiáng)耐熱鎂合金作為航空航天結(jié)構(gòu)材料的主要需求方向，稀土元素強(qiáng)化鎂合金展現(xiàn)了獨(dú)一無二高性能優(yōu)勢，用于彈箭體整體艙段結(jié)構(gòu)可帶來近30%的減重效果，使用溫度提升至200 ℃以上，可大大提升航空航天結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化水平和結(jié)構(gòu)的承載效率［7］。Mg?Gd?Y 系高強(qiáng)耐熱鎂合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能及耐蝕性能，屬于高強(qiáng)度鑄造和變形鎂合金系，已先后開發(fā)了GW63K、GWNK7511 和AQ80M等鎂合金。Mg?Gd?Y?Ca?Zr鎂合金200 ℃時(shí)高溫強(qiáng)度仍可達(dá)360 MPa，并且Mg?Gd?Y?（Zr）合金系鎂合金已在溫度承載250～300 ℃的彈體艙段上得到應(yīng)用［8］。此外，彈箭體慣組儀器安裝平臺(tái)支架結(jié)構(gòu)已逐步推進(jìn)鎂合金材料的升級替換，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重、提高振動(dòng)阻尼等方面展現(xiàn)突出優(yōu)勢，部分大尺寸承力鎂合金殼體產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度已達(dá)到400 MPa量級，有力支撐了航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化水平的提升。

整體而言，鎂合金在航天結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用已處于快速推廣階段，但是隨著航天要求的不斷提高，鎂合金工程應(yīng)用仍面臨一部分問題，主要表現(xiàn)在：一方面，相比高強(qiáng)鋁合金，鎂合金結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量仍偏低，而且稀土元素合金化導(dǎo)致鎂合金成本偏高，亟需開發(fā)更高性能低成本鎂合金材料體系，如輕質(zhì)Mg?Li 合金材料已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。另一方面，鎂合金工程應(yīng)用技術(shù)仍需進(jìn)一步成熟化，尤其是大尺寸鎂合金結(jié)構(gòu)件的精密熔鑄缺陷抑制、弱剛性整體機(jī)加工變形控制、高可靠表面防護(hù)等技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

2.1.3 高強(qiáng)韌鈦合金

鈦是地球上儲(chǔ)量僅次于鋁的重要輕質(zhì)材料，鈦合金的強(qiáng)度達(dá)到500～1 400 MPa，比鋁合金、鎂合金高得多，鈦合金的高溫及低溫性能更具優(yōu)勢，能在550 ℃高溫和?250 ℃低溫下長期工作而保持性能不變，已成為航空航天結(jié)構(gòu)關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。針對航天運(yùn)載器高應(yīng)力承載、超高/低溫、強(qiáng)腐蝕等極端條件下服役需求，國內(nèi)外已開發(fā)出各種性能鈦合金系列和加工制造技術(shù)［9］。

國內(nèi)航天領(lǐng)域鈦合金精密鍛造技術(shù)主要涉及TC4ELI、TA7ELI、TC4、TC11、TA15 等牌號(hào)，大量應(yīng)用于壓力容器、局部高強(qiáng)承力結(jié)構(gòu)及大承載緊固件［10］。其中，鈦合金氣瓶在我國航天領(lǐng)域最典型的應(yīng)用之一，采用精密模鍛成形的TA7ELI 鈦合金低溫氣瓶，已在CZ?3A、CZ?5 等運(yùn)載火箭中得到廣泛應(yīng)用。用TC4鈦合金管材取代傳統(tǒng)傳力鋼結(jié)構(gòu)桿系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大幅減重及抗腐蝕性能。增材制造TA15 鈦合金舵翼件骨架結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能與鍛件持平，材料利用率達(dá)70%以上，可實(shí)現(xiàn)減重15%以上。

中/高溫高強(qiáng)韌大承載是未來航天鈦合金結(jié)構(gòu)面臨的主要挑戰(zhàn)，為支撐我國航天快速航天運(yùn)載器耐熱承載一體的發(fā)展的迫切需求，亟須加快對600 ℃及650 ℃以上的高溫高強(qiáng)鈦合金、Ti?Al 系金屬間化合物等材料體系的研究與工程應(yīng)用突破。工程應(yīng)用中受室溫塑性差的反向制約，針對高強(qiáng)鈦合金難變形的特點(diǎn)，需結(jié)合航天結(jié)構(gòu)大尺寸、高成形精度及高性能需求，推動(dòng)精密鑄造、超塑性成形、擴(kuò)散焊/激光焊連接、粉末冶金及增材制造等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，提升鈦合金在航天結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用成熟度。

2.1.4 高溫合金

高溫合金是指具有優(yōu)異的600 ℃以上的高溫?zé)崃W(xué)性能，具體表現(xiàn)為耐高溫、抗氧化、高強(qiáng)度等，主要包含鐵基高溫合金（600～800 ℃）、鎳基高溫合金（650～1 000 ℃）和鈷基高溫合金（730～1 100 ℃）三大類，是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的首選服役材料。由于高溫合金材料密度較大，難以滿足航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)輕質(zhì)應(yīng)用要求，因此主要用于大承載緊固件和局部承力軸舵等。以GH4169、GH2132 等為代表的高溫合金，因其高/低溫力學(xué)強(qiáng)度高、線脹系數(shù)低、耐蝕性強(qiáng)，在低溫運(yùn)載火箭、空天飛行器的緊固件方面得到了廣泛的應(yīng)用。GH4099 在960 ℃，拉伸強(qiáng)度仍能保存在250 MPa以上，因此在快速飛行航天運(yùn)載器的舵部件上得到應(yīng)用。此外，新型金屬材料，如因瓦合金，在200 ℃以下具有陶瓷材料接近的線脹系數(shù)，在快速飛行航天運(yùn)載器中得到廣泛應(yīng)用。

隨著航天運(yùn)載器的進(jìn)一步發(fā)展，針對長時(shí)間大氣層內(nèi)快速飛行運(yùn)載器活動(dòng)部件操縱需求的不斷增加，需設(shè)計(jì)耐熱1 000 ℃以上的高溫合金軸系部件；針對高溫合金與熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高溫?zé)崞ヅ洳町愋詥栴}，開展低熱膨脹系數(shù)的高溫合金材料及其精密成型工藝研究；為應(yīng)對新一代航天運(yùn)載器高性能連接需求，需全面開展以高溫合金材料為基礎(chǔ)的高強(qiáng)高可靠緊固件制造、試驗(yàn)與評價(jià)技術(shù)研究。

2.2 輕質(zhì)復(fù)合材料

2.2.1 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

自上世紀(jì)50年代起，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的輕質(zhì)高性能就引起了航空航天領(lǐng)域的高度關(guān)注，相比鋁合金構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)30%以上的結(jié)構(gòu)減重，主要形成了環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂和耐高溫聚酰亞胺樹脂基體的三大結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系［11］。以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料典型代表，因其高比強(qiáng)度、高比模量、高溫尺寸穩(wěn)定性和可設(shè)計(jì)性等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭、空天飛行器等大型艙筒段、支架結(jié)構(gòu)，已成為先進(jìn)彈箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的重要標(biāo)志。

環(huán)氧樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于成形性好，工藝發(fā)展最成熟，是目前應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，服役溫度通常低于180 ℃。隨著雙馬來酰亞胺樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展，提升服役溫度到230～280 ℃，并形成了以TG800/802為典型代表的推廣應(yīng)用。目前，耐高溫聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料體系已提升服役溫度超過500 ℃的研究目標(biāo)，隨著材料工藝性改善和應(yīng)用技術(shù)的突破，已在快速飛行航天運(yùn)載器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

隨著航天運(yùn)載器對減重、增程等指標(biāo)的要求不斷提高，成形性更好、耐溫等級更高的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已成為運(yùn)載器結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的重點(diǎn)研究方向。但是，高強(qiáng)/高模碳纖維仍然是制約我國高性能復(fù)合材料發(fā)展瓶頸難題，亟需突破國外技術(shù)封鎖，從制造工藝、生產(chǎn)成本等方面同步推進(jìn)，集中攻關(guān)T1000、T1100 等為代表的高強(qiáng)碳纖維技術(shù)，加速突破M45、M50 高模量碳纖維技術(shù)，在研發(fā)的同時(shí)加強(qiáng)逐步提高碳纖維工程化應(yīng)用的成熟度。此外，高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研制將大幅提升結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，航空結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用［12］。隨著結(jié)構(gòu)/防熱/承力一體化技術(shù)的發(fā)展，格柵結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料蒙皮、骨架等結(jié)構(gòu)形式與材料設(shè)計(jì)制造一體化研究，已形成一類輕質(zhì)承力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)新體系。此外，將主被動(dòng)防隔熱、雷達(dá)吸波等功能特征與結(jié)構(gòu)承力相結(jié)合，也是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料向功能化融合發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

超低溫復(fù)合材料貯箱作為一個(gè)特殊研究領(lǐng)域，國內(nèi)外均開展了碳纖維增強(qiáng)低溫環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研制。美國先后完成了多種規(guī)格類型的低溫復(fù)合材料貯箱研制，圖2為美國SpaceX公司研制的12 m直徑復(fù)合材料貯箱實(shí)物［13］。2020年，國內(nèi)在低溫環(huán)氧樹脂研制的攻關(guān)的基礎(chǔ)上，已完成3.35 m直徑復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)研制。相比鋁合金貯箱，復(fù)合材料貯箱可縮短生產(chǎn)周期超過30%，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重超過30%。然而，針對低溫樹脂的液氫介質(zhì)滲漏、低溫脆性等重大難題，還需在先進(jìn)低溫樹脂材料、高性能纖維樹脂匹配、無缺陷鋪放成形工藝、界面縫合連接、在線健康監(jiān)測與評價(jià)等技術(shù)方面開展深入研究。

圖2 12 m直徑復(fù)合材料貯箱Fig.2 Composite tank with 12 m in diameter

2.2.2 功能復(fù)合材料

功能復(fù)合材料主要涉及防熱、隔熱、透波等功能要求，是先進(jìn)熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制的關(guān)鍵，在快速飛行器和重復(fù)使用運(yùn)載器等領(lǐng)域具有不可或缺的作用。國內(nèi)外已發(fā)展出樹脂基燒蝕防熱材料、熱結(jié)構(gòu)材料、碳基防熱材料、透波多功能防熱材料、高效隔熱材料等功能復(fù)合材料體系［14］。高溫防熱材料以燒蝕型防熱材料為主，通過材料升華帶走熱量，通過材料設(shè)計(jì)控制燒蝕形貌；中溫防熱材料主要通過低熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)隔熱，同時(shí)需要承受溫度和熱流沖刷，不產(chǎn)生顯著燒蝕導(dǎo)致外形后退。圖3所示為燒蝕材料燒蝕過程物理和化學(xué)變化示意圖。

圖3 燒蝕材料燒蝕過程中物理和化學(xué)變化Fig.3 Complicated physical and chemical changes during ablating of ablative materials

國內(nèi)在航天熱防護(hù)系統(tǒng)中，重點(diǎn)發(fā)展了燒蝕型防熱復(fù)合材料、微燒蝕C/C復(fù)合材料和熱透波復(fù)合材料體系［14?15］。目前，編制碳/酚醛燒蝕型材料已實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定批量生產(chǎn)，并陸續(xù)發(fā)展了第二代和第三代空間探測用燒蝕防熱材料。航天材料及工藝研究所已研制出2 000 ℃以上表現(xiàn)為微量燒蝕的C/C 復(fù)合材料，相比傳統(tǒng)純C/C 復(fù)合材料抗燒蝕性能提高了50%，在防熱承力一體化熱結(jié)構(gòu)、飛行器前緣、端頭、舵、翼等部位具有廣泛應(yīng)用。在透波多功能防熱復(fù)合材料方面，已初步實(shí)現(xiàn)了對超高溫?zé)嵬覆ú牧?、天線罩等產(chǎn)品的快速批量化應(yīng)用。

整體而言，我國高效防隔熱材料體系與歐美先進(jìn)國家發(fā)展水平相當(dāng)且部分領(lǐng)先。為支撐新型航天運(yùn)載器等長時(shí)間防隔熱服役、重復(fù)使用運(yùn)載火箭防隔熱重復(fù)應(yīng)用及未來飛行器功能結(jié)構(gòu)一體化融合發(fā)展的需求，未來需進(jìn)一步加大功能復(fù)合材料基礎(chǔ)研究和原創(chuàng)技術(shù)的研究力度，爭取在高溫樹脂、透波超材料、多模式防熱、防隔熱一體化等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與突破。牽引高性能碳纖維、碳化物纖維、氮化硅纖維等高性能纖維及PCS、SiBCN 等陶瓷前驅(qū)體、空心玻璃小球等特種填料關(guān)鍵原材料的研發(fā)，推動(dòng)航天關(guān)鍵原材料全面實(shí)現(xiàn)自主可控。實(shí)現(xiàn)超低密度、超低熱導(dǎo)率、防熱和隔熱功能兼?zhèn)?，同時(shí)具備輕質(zhì)防熱/隔熱/維形、防熱/隔熱/隱身防熱/隔熱/承載等多功能一體化材料研發(fā)與工程應(yīng)用目標(biāo)。

2.3 智能變形材料

智能變形材料即能夠?qū)崿F(xiàn)形狀記憶、磁致伸縮、電致伸縮、壓電效應(yīng)等功能的材料。隨著航天運(yùn)載器型號(hào)智能化、集成化發(fā)展需求，智能材料備受關(guān)注，特別是在變形蒙皮、折疊驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的需求尤為迫切［16?17］。目前，智能材料和結(jié)構(gòu)在蒙皮、驅(qū)動(dòng)器及變形結(jié)構(gòu)等方面有了初步嘗試。

德國空間中心曾用智能變速箱桿代替原有的變速箱桿在BK117 直升機(jī)上做了飛行測試，測試結(jié)果表明這種基于壓電陶瓷的主動(dòng)減振系統(tǒng)在任何環(huán)境下工作都很穩(wěn)定，并且在試驗(yàn)頻率下變速箱支撐桿的振動(dòng)得到了良好的控制，智能變速箱桿在BK117上的實(shí)際安裝如圖4所示。針對ARIANE 5 運(yùn)載火箭嘗試開發(fā)了一種主動(dòng)有效載荷隔振適配器，用于將火箭有效載荷中的振動(dòng)隔離開，在低頻段內(nèi)有效改善航天器載荷環(huán)境［18］。

圖4 智能變速箱桿在BK117直升機(jī)的應(yīng)用［18］Fig.4 Smart gearbox struts installed in BK117 test helicopter

根據(jù)目前的發(fā)展水平，智能材料只在航天器的部分單一功能開展了應(yīng)用嘗試，還不能滿足高性能集成需求。例如，形狀記憶聚合物存在高效加熱問題、柔性變形過程中的氣動(dòng)承載問題以及變形有限次數(shù)開裂和斷裂問題。形狀記憶合金輸出力大的特點(diǎn)，引起了廣泛的科研關(guān)注，如圖5所示，具有突出輕質(zhì)化特性的Mg基記憶合金已成為新的研究熱點(diǎn)［17］。壓電材料變形頻率高但單次變形輸出功率偏小。因此，針對未來智能變形材料的航天應(yīng)用，一方面，需從材料角度提高材料綜合性能，改善蒙皮變形性能與承載防熱性能之間的矛盾、智能驅(qū)動(dòng)輸出能量與承載水平及變形響應(yīng)速率的矛盾，是材料研發(fā)的重要方向；另一方面，需提高材料、結(jié)構(gòu)、控制的集成設(shè)計(jì)水平，充分發(fā)揮智能材料的優(yōu)勢。

圖5 形狀記憶合金材料最大彈性應(yīng)變與密度的關(guān)系［17］Fig.5 Relationship between maximum superelastic strain and density of polycrystalline SMAs

3 航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展展望

3.1 超大型結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

超大型結(jié)構(gòu)制造與裝配是液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展趨勢［19］。對于重型運(yùn)載火箭超大直徑貯箱制造，焊接與成形是其研制的兩大主要關(guān)鍵技術(shù)［5］。攪拌摩擦焊接技術(shù)已成為世界航天貯箱焊接裝配的主流技術(shù)，美國SLS 火箭、Falcon 9，我國CZ?5 和CZ?7系列等火箭均已成熟采用，避免了高強(qiáng)鋁合金在傳統(tǒng)熔化焊的熱裂紋缺陷問題，有效提升了結(jié)構(gòu)焊接強(qiáng)度和可靠性［20］，圖6所示為美國SLS 火箭攪拌摩擦焊接一級氫箱箱底。同時(shí)，弧焊技術(shù)作為不可或缺的常規(guī)焊接技術(shù)，由于成本低，可操作性強(qiáng)，提升焊接自動(dòng)化具有重大意義。此外，應(yīng)對未來超大貯箱壁板與環(huán)縫封箱焊接與裝配需求，需對超大結(jié)構(gòu)焊接、在線塞補(bǔ)焊、原位快速無損檢測等先進(jìn)工藝和裝備開展集成技術(shù)研究。

圖6 SLS火箭箱底攪拌摩擦焊接Fig.6 Friction stir welded propellant tank dome for SLS rocket

針對大尺寸鈑金成形技術(shù)，火箭大型鈑金結(jié)構(gòu)件包括瓜瓣、頂蓋、壁板、型材框、鈑材框等。其中，瓜瓣和頂蓋多數(shù)為橢球面，成形復(fù)雜要求高，成形工藝有壓力機(jī)拉深成形、拉形機(jī)拉形、蠕變時(shí)效成形等方法，為滿足自動(dòng)化焊接裝配的高精度要求，需進(jìn)一步研究成形工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。在大型加筋網(wǎng)格壁板制造方面，國外重型火箭研制主要發(fā)展平板機(jī)銑和等距壓彎成形技術(shù)，而國內(nèi)成形工藝路線繁雜，如滾彎后機(jī)銑、平板機(jī)銑后滾彎、平板機(jī)銑后蠕變彎曲等多種成形工藝路線，為適應(yīng)結(jié)構(gòu)最終性能與經(jīng)濟(jì)性匹配要求，需開展深入工藝評價(jià)和選優(yōu)。

此外，針對未來2195 高強(qiáng)鋁鋰合金、7085 超高強(qiáng)鋁合金大厚鍛件成形技術(shù)亟需完成瓶頸突破，超大型弱剛性整流罩夾層結(jié)構(gòu)成形技術(shù)、大型艙段智能自動(dòng)化鉚接裝配技術(shù)［20］、超大直徑低溫共底成形技術(shù)等也是重型運(yùn)載火箭的攻關(guān)研制的重點(diǎn)研究方向。

3.2 整體形性協(xié)同制造技術(shù)

整體化制造是實(shí)現(xiàn)航天結(jié)構(gòu)高性能研制的重要途徑之一。火箭貯箱箱底整體成形、彈體艙段整體精密環(huán)鍛成形與機(jī)加、飛行器復(fù)合材料整體骨架一體化成形技術(shù)等為提升航天結(jié)構(gòu)性能提供了新途徑。

在貯箱箱底整體制造方面，整體旋壓成形、整體液壓成形、快速電磁脈沖成形等技術(shù)均可突破傳統(tǒng)瓜瓣拼焊方案，大幅減少焊縫數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)安全可靠性［20］。其中，整體旋壓成形工藝已成為國外貯箱箱底制造的關(guān)鍵核心技術(shù)［21］，目前國內(nèi)已完成2.25 m 直徑5A06 鋁合金和3.35 m 直徑2219 鋁合金箱底的整體旋壓制造與飛行驗(yàn)證，圖7所示為傳統(tǒng)拼焊成形和旋壓整體成形貯箱箱底流程對比示意圖。未來針對5 m 以上大直徑的高強(qiáng)2219 鋁合金及新材料2195鋁鋰合金整體箱底，需結(jié)合大型板材開發(fā)、旋壓成形、熱處理、機(jī)加減薄等系列工藝技術(shù)開展研究。

圖7 箱底制造方案Fig.7 Manufacturing approach of propellant tank dome

此外，針對快速飛行器的嚴(yán)酷多變氣動(dòng)特性，整體高精結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)的迫切需求，通過為減少骨架、舵、翼等部件間的連接，降低裝配后部件的變形。在金屬材料結(jié)構(gòu)方面，需進(jìn)一步開展大型復(fù)雜鋁合金和鎂合金整體艙段整體制造技術(shù)研究，重點(diǎn)解決大尺寸構(gòu)件制造缺陷抑制、整體機(jī)加應(yīng)力變形預(yù)測與控制、連接結(jié)構(gòu)防護(hù)等難題。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面，研究整體編織和整體成型的工藝，突破飛行器復(fù)合材料整體骨架一體化成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整體高精高性能一體化制造具有重要意義。

3.3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

隨著航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大型化、集成化、輕量化、批量化等需求發(fā)展，大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件整體成型技術(shù)、復(fù)合材料高效自動(dòng)鋪放技術(shù)以及低成本工藝技術(shù)得到了廣泛的工程應(yīng)用［11］。一方面提高了結(jié)構(gòu)件的性能和減重效率；另一方面提高了結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量一致性，同時(shí)降低了制造成本和周期。降低成本，實(shí)現(xiàn)最佳的性能價(jià)格比，探索低成本高性能的成型工藝技術(shù)，是未來較長時(shí)期復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)［22］。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體優(yōu)化思想，開展樹脂體系和工藝設(shè)備的集成研發(fā)，提升計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)處理技術(shù)和智能制造技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型過程控制和成型工藝模擬等方面的推廣應(yīng)用，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型更科學(xué)、合理，保證性能滿足的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)成本下降。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高性能制造面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、曲率變化劇烈、承載要求顯著提升等挑戰(zhàn)，未來低成本高性能復(fù)合材料工藝技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向包括：非熱壓罐成型工藝［23］；結(jié)合注射工藝過程數(shù)字模擬的RTM 成型工藝；低溫低壓成型工藝；自動(dòng)鋪帶和鋪絲成型工藝；Z?Pin 增強(qiáng)連接技術(shù)［24］；設(shè)計(jì)制造一體化工藝仿真制造技術(shù)等。在工程應(yīng)用方面，亟需突破大型異型結(jié)構(gòu)的高精整體成型、機(jī)加、切割、連接技術(shù)，重點(diǎn)解決復(fù)合材料零件連接緊固件工藝性差、連接材料間電位腐蝕等關(guān)鍵難題。此外，在振動(dòng)和沖擊等復(fù)雜飛行條件下，對于復(fù)合材料缺陷的監(jiān)測和損傷容限的研究亟需深入。抑制制造缺陷，開發(fā)增減材一體工藝、無損檢測和工藝流程控制方法。通過結(jié)構(gòu)、材料、工藝的一體化結(jié)合，在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部可同步實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計(jì)與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以主動(dòng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能，對于未來航天領(lǐng)域先進(jìn)合金和復(fù)合材料開發(fā)、結(jié)構(gòu)?功能梯度化設(shè)計(jì)、復(fù)雜智能仿生制造等具有重要應(yīng)用前景。

圖8 復(fù)合材料蒙皮桁條結(jié)構(gòu)Fig.8 Skin?stringer structures made by composite material

3.4 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)是近二十年來迅速發(fā)展起來的高端數(shù)字化制造技術(shù)，特別適合于具有多批次、小批量、研制與設(shè)計(jì)迭代頻繁的航天產(chǎn)品快速研制，NASA 率先在航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證［25］。隨著增材制造裝備性能顯著提升，關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，我國在航空航天裝備領(lǐng)域的應(yīng)用已形成良性生態(tài)體系。目前，我國航天用增材制造技術(shù)涵蓋了激光熔化沉積、選區(qū)激光熔化、電弧增材和冷噴涂增材制造等關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，涉及了鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、銅合金、陶瓷、工程塑料等材料體系［26］。以我國長征五號(hào)火箭捆綁接頭增材制造技術(shù)應(yīng)用為典型代表，實(shí)現(xiàn)了箭體結(jié)構(gòu)減重200 kg，并成功通過飛行驗(yàn)證。此外，針對外形復(fù)雜、傳統(tǒng)加工方式難以實(shí)現(xiàn)的零件，如小火箭推力套筒、復(fù)雜鋁合金整體艙段、發(fā)動(dòng)機(jī)零件、大型金屬骨架等結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)樣機(jī)研制和部分工程應(yīng)用，有效解決了生產(chǎn)周期長、合格率低等問題。

為充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，傳統(tǒng)增材制造技術(shù)正逐步轉(zhuǎn)向“結(jié)構(gòu)?材料?性能一體化增材制造”（MSPI?AP）的制造內(nèi)涵，變革傳統(tǒng)的串聯(lián)式增材制造路線，發(fā)展新的材料結(jié)構(gòu)?材料?性能一體化“并行模式”。圖9所示為面向下一代空間探測器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化構(gòu)件增材制造設(shè)想示例［27］。在設(shè)計(jì)方面，開展面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，如拓?fù)鋬?yōu)化、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多材料一體化和功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，為構(gòu)件輕質(zhì)化、多功能和快速研發(fā)提供保障。在材料設(shè)計(jì)方面，開展低成本高性能、仿生多功能等新材料研發(fā)，形成航天產(chǎn)品增材制造材料標(biāo)準(zhǔn)體系和數(shù)據(jù)庫。在工藝方面，提升工藝穩(wěn)定性研究，

圖9 航天應(yīng)用材料?結(jié)構(gòu)?性能一體增材制造技術(shù)示例［27］Fig.9 Example of material?structure?performance integrated additive manufacturing for potential aerospace applications

3.5 綠色制造技術(shù)

綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期中，對環(huán)境負(fù)面影響小、資源利用率高、綜合效益大，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益得到協(xié)調(diào)優(yōu)化［28］。航天制造作為中國先進(jìn)制造的代表，在實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，還承擔(dān)了對我國高技術(shù)發(fā)展方向的牽引職責(zé)，綠色制造的模式轉(zhuǎn)變是響應(yīng)國家政策導(dǎo)向的唯一途徑［5，19］。

針對現(xiàn)有航天產(chǎn)品，推進(jìn)綠色制造的概念和路徑非常豐富。首先，促進(jìn)綠色加工工藝研究與應(yīng)用，如鋁合金等金屬的低污染表面處理技術(shù)、機(jī)械銑削替代化學(xué)銑切加工、激光清洗技術(shù)［29］、樹脂基復(fù)合材料回收利用技術(shù)，低溫非熱壓罐成型［23］等低能耗制造技術(shù)等均可顯著減少對環(huán)境及人體的傷害。其次，提高材料利用率是綠色制造的一種思路，一方面減少材料去除量，如發(fā)展整體旋壓成型技術(shù)［20］、高性能近凈成型技術(shù)［30］；另一方面采用增材制造思想，發(fā)展基于薄壁焊接與鉚接結(jié)構(gòu)的局部原位冷噴涂技術(shù)［31］，節(jié)約原材料和能耗。最后，推進(jìn)綠色制造系統(tǒng)方法的建立，推廣并行工程的設(shè)計(jì)理念，面向制造和裝配、面向成本、面向環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，使航天產(chǎn)品全壽命周期成本更優(yōu)、效率更高。

4 結(jié)語

總體而言，航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展是以輕質(zhì)化為核心，以先進(jìn)材料及工藝技術(shù)為支撐不斷追求高結(jié)構(gòu)效率。其中，高性能輕質(zhì)金屬材料作為航天結(jié)構(gòu)材料的重要組成部分，為滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限設(shè)計(jì)要求，高強(qiáng)、耐熱、耐損傷的輕質(zhì)金屬材料是航天應(yīng)用和發(fā)展的主要發(fā)展方向，突破高強(qiáng)/超高強(qiáng)難變形和大型整體高精度制造的雙重挑戰(zhàn)，是進(jìn)一步推動(dòng)高強(qiáng)輕質(zhì)金屬材料成熟化應(yīng)用的研究重點(diǎn)。先進(jìn)復(fù)合材料在高溫性能、力學(xué)性能等方面具有突出優(yōu)勢，在新型航天結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例日益增加，提升高強(qiáng)/高模碳纖維和耐高/低溫樹脂材料及其匹配成型技術(shù)、發(fā)展承載/防隔熱/透波/隱身等功能結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)、降低制造成本是該材料的研究和發(fā)展的重點(diǎn)。此外，智能變形結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)功能一體化制造、綠色制造理念等代表了先進(jìn)航天技術(shù)的發(fā)展方向，推動(dòng)智能變形材料技術(shù)、材料?結(jié)構(gòu)?性能一體化增材制造等前沿技術(shù)的研究，對于促進(jìn)航天結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。