液體火箭發(fā)動機(jī)制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1引言
目前，為了滿足商業(yè)發(fā)射的需要，占據(jù)發(fā)射市場，同時也為了降低發(fā)射成本，各航天大國都在研制新的運(yùn)載火箭或在原有火箭的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，象美國的德爾它4和宇宙神5，日本的H2A、俄羅斯的安加拉以及歐空局的阿里安5，這些火箭通過搭配不同的助推器或改進(jìn)上面級來承擔(dān)不同載荷的發(fā)射任務(wù)。阿里安5火箭1996年首飛成功后，曾經(jīng)占據(jù)了近一半的國際商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射市場，面對日益加劇的市場競爭，歐空局對阿里安5主級發(fā)動機(jī)Vulcain進(jìn)行了必要的改進(jìn)，成為性能提高、成本降低的改進(jìn)型Vulcain2，同時還研制了兩種新上面級ESC-A和ESC-B。主級發(fā)動機(jī)的改進(jìn)及不同上面級的使用，使阿里安5火箭系列化，可承接由低到高不同載荷的發(fā)射，GTO最高運(yùn)力可達(dá)12噸，可與美國新一代火箭德爾它4和宇宙神5相抗衡。盡管近期由于缺乏市場需求，歐空局暫緩最高運(yùn)力火箭的研制，但制造Vulcain2和ESC-B上面級Vinci發(fā)動機(jī)的工藝技術(shù)代表了當(dāng)今液體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，其制造技術(shù)的研究對我國火箭發(fā)動機(jī)的研制仍具重要意義。
2推力室制造技術(shù)
隨著發(fā)動機(jī)性能要求的提高，推力室的工作壓力和熱負(fù)荷也顯著增加，要求制造技術(shù)水平相應(yīng)地提高。推力室制造工藝經(jīng)歷了由比較簡單的低合金鋼冷卻套壁板焊接，發(fā)展到再生冷卻夾層結(jié)構(gòu)的波紋板和不銹鋼夾層的釬焊技術(shù)，然后又發(fā)展到內(nèi)壁溝槽結(jié)構(gòu)的數(shù)控銑切、外壁電鑄鎳以及管束式液壓填充沖壓成形和高溫真空釬焊等制造技術(shù)，使推力室內(nèi)壁的冷卻效果逐步提高。由于液體火箭發(fā)動機(jī)運(yùn)行時要承受劇熱和強(qiáng)烈的機(jī)械載荷，因此推力室零件要選用熱導(dǎo)性好，抗熱性高的特殊鑄鍛造合金材料。而零件的制造工藝則成為工藝研究不斷探討的難點(diǎn)和重點(diǎn)。推力室主要分為噴注器、燃燒室及噴管延伸段三大主要部件。
2.1噴注器
液氫、液氧燃料在噴注器中混合后引入燃燒室并點(diǎn)火，液氧提供到噴注器時壓力為149bar，溫度為96K。圖1為噴注器組件示意圖。
圖1噴注器組件圖
從Vulcain研制開始，各生產(chǎn)工藝都在不斷優(yōu)化。Vulcain的點(diǎn)火器管由三個可分零件焊接在一起，而Vulcain2選用了Inconel718材料，以真空精密鑄造作為一個零件制造而成，即采用先進(jìn)的鑄造技術(shù)減少了噴注器的零件數(shù)量；Vulcain中的516根液氧噴嘴是通過擴(kuò)散焊與Inconel718基板連接，在Vulcain2的工藝優(yōu)化中，由釬焊取代擴(kuò)散焊，將液氧柱插入基板中。而上面級Vinci的工藝更領(lǐng)先一步，帶液氧噴嘴的基板由精密鑄造制成整體結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行熱處理和時效。精密鑄造成型后的Vinci噴注器頭部，綜合運(yùn)用了鉆深孔、銑削加工以及螺紋銑技術(shù)。
2.2燃燒室
改進(jìn)型Vulcain2燃燒室的壓力從115bar上升到180bar，燃燒溫度是3500K。超過8000W/cm2的最大熱通載荷是根據(jù)燃燒室壓力產(chǎn)生的。為使通過進(jìn)入冷卻通道的氫帶走巨大的熱流量，燃燒室材料必須具有較高的熱導(dǎo)性。
SSME采用Narlay-Z銅基合金作為燃燒室內(nèi)襯材料，而Vulcain選用了CuAgZr。Ariane5低能量上面級——Aestus發(fā)動機(jī)是基于HM7工藝生產(chǎn)的，由于它使用腐蝕性燃料(MMH/N2O4)以及低熱載荷，因此選擇了奧氏體鉻-鎳鋼作為燃燒室材料。
在工藝選擇上，阿里安系列低溫發(fā)動機(jī)的燃燒室采用在銅內(nèi)襯上銑削冷卻通道，然后用電鑄工藝覆蓋通道，而俄羅斯是用釬焊工藝密封通道。美國和日本除采用整體結(jié)構(gòu)之外還采用管狀結(jié)構(gòu)，如冷卻結(jié)構(gòu)是由液壓形成和捆扎管組成，電鑄或釬焊技術(shù)覆蓋冷卻通道用做承受載荷的附加裝置，這點(diǎn)與俄羅斯和德國相同。
阿里安系列低溫發(fā)動機(jī)燃燒室整體結(jié)構(gòu)加工有以下步驟：
a.真空精密鑄造和鍛造（銅燃燒室半成品）；
b.銑冷卻通道，車最后的輪廓；
c.用蠟填充冷卻通道；
d.用電鍍銅封合冷卻通道；
e.電鑄鎳外殼；
f.使臘熔化掉。
這種整體加工的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
a.冷電鍍工藝，因此對銅合金（CuAgZr）的機(jī)械及物理特性沒有影響；
b.用電鍍成形可進(jìn)行復(fù)雜幾何形狀的生產(chǎn)；
c.所選熱氣壁的厚度不同，冷卻通道的寬度和高度都可調(diào)；
d.表面粗糙度非常小，使壓力損失在冷卻通道上很小；
e.制造時間長、成本高；
f.材料選擇有限（限制為單個零件系統(tǒng)如鎳或銅層）。
為減少運(yùn)載器的成本，特別是核心生產(chǎn)過程，Astrium對加工技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，以期達(dá)到直接減少生產(chǎn)時間和成本的目的。象機(jī)加工和脈沖電鑄工藝等主要項(xiàng)目不同程度地達(dá)到了目的，也體現(xiàn)了當(dāng)今燃燒室先進(jìn)的加工水平。
2.2.1冷卻通道的高性能切削技術(shù)
大量的加工應(yīng)用和難加工材料促使Astrium于2000年進(jìn)行“HPC-高性能加工，即精度、材料和加工時間達(dá)到最高要求”的項(xiàng)目，由于該技術(shù)至關(guān)重要，Bavarian研究基金會也為該項(xiàng)目提供了資金資助，同時得到一些大學(xué)研究室和一些中小公司的協(xié)助。Astrium在這項(xiàng)技術(shù)任務(wù)上也引進(jìn)了一臺新加工中心。該項(xiàng)目首先要完成Vulcain2主級和Vinci上面級燃燒室冷卻通道的銑削，以驗(yàn)證高性能加工。加工材料為CuAgZr，要加工468條通道，最寬為0.7mm，深10mm，燃燒室剩余壁厚為0.6mm，通道幾何形狀除直槽外還有曲線形狀。專門研制的薄銑刀，厚為0.7mm，由碳化物制成，用來加工直槽段。銑削時需要特殊的夾具，銑削過程中還必須保證低振動環(huán)境與剛性。刀具稍加修改就可加工出U型和S型，見圖2～4。
加工參數(shù)可調(diào)到傳統(tǒng)加工的10倍，主軸速度2000轉(zhuǎn)或更高。增加加工參數(shù)要求刀具絕對可靠。這種刀具由碳化物制成。加工后需要驗(yàn)證表面粗糙度，因?yàn)槔鋮s通道壁的表面對冷卻輸出至關(guān)重要。光滑的壁面才能使熱量通過最大壁厚0.6mm，從燃燒室傳到低溫氫燃料上。
高性能切削及中間測量的引入，保證了工藝的可靠性，特別是加工中的測量，參見圖5。測量可直接反饋到機(jī)床控制系統(tǒng)，從而糾正銑削過程中的參數(shù)控制，同時優(yōu)化銑削的結(jié)果。采用高性能切削工藝可使芯部加工節(jié)省成本達(dá)50%，節(jié)省時間超過50%，零件質(zhì)量還有所改進(jìn)。
2.2.2脈沖電鑄外殼
通過電化學(xué)工藝對導(dǎo)電表面鍍上一層金屬層的基本理論已有近200年的歷史，就是利用這種原理將鎳層沉積到燃燒室的CuAgZr基體上。與傳統(tǒng)的電鍍不同，電鑄可形成幾毫米厚的厚涂層。Astrium最初通過直流電流對燃燒室冷卻通道進(jìn)行電鑄，產(chǎn)生鎳外殼，現(xiàn)在又發(fā)展了脈沖電鑄鎳外殼技術(shù)。這種新電鑄技術(shù)可使電鑄的厚金屬層具有很好的延伸性、強(qiáng)度和柔性等。此技術(shù)已用在Vulcain2和Vinci發(fā)動機(jī)上。與直流電鑄相比，涂層厚度增加，生產(chǎn)時間減少。以Vulcain為例，采用脈沖電鑄只需2層，而用直流電鑄則需5層，相應(yīng)地，生產(chǎn)時間減少30%以上。
電鑄工藝具有電鍍沉積工藝溫度低、沉積時間短和成形精度高的優(yōu)點(diǎn)。表面氧化薄層的形成使鎳特別抗腐蝕，而通過電鑄進(jìn)行沉積時與固態(tài)鎳相比，高硬度也同低內(nèi)應(yīng)力一起出現(xiàn)。
電鑄鎳外殼步驟如下：進(jìn)行電鑄工藝前必須確定表面輪廓，機(jī)加工后，首先需要通過清潔手段清除燃燒室外表面的所有污染。通過加堿和超聲清洗，然后封閉冷卻通道，用一種特殊的電鍍蠟封住，對蠟來說，要求具有很寬溫度內(nèi)的成形精度及高導(dǎo)電性能。在進(jìn)行電鍍前，燃燒室材料要進(jìn)行特殊的預(yù)處理，即將薄銅涂層沉積在燃燒室基體上，然后進(jìn)行處理，封閉冷卻通道，這樣，就保證在要鍍的層面上有好的粘附力及一個光滑和均勻的涂層。鎳沉積在第二層上，采用脈沖電鑄，25mm厚的電鑄鎳可分兩步鑄上。電鑄鎳外殼完成后，填充的蠟要融化掉，然后再清潔冷卻通道。
充臘時采用自動充臘工具，一般是手動執(zhí)行，這樣可明顯地節(jié)省工作時間和所用材料。去除臘時，先用指形銑打開冷卻通道，然后使用專門研制的清除機(jī)器來清除冷卻通道的臘。對每個冷卻通道進(jìn)行水流量檢查試驗(yàn)，測量流速和壓力降，其結(jié)果即可檢驗(yàn)整個冷卻通道臘的去除，也可通過每個通道的流量特征來檢查制造公差和偏差。