航天器整体壁板结构制造技术

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1、综述航天器整体壁板结构制造技术北京卫星制造厂赵长喜李继霞摘要整体壁板结构具有明显的特点与优点，是航天器结构的发展趋势，是载人航天器的主要结构形式。通过国内外大量文献的分析，结合一些实践经验，重点从整体壁板的材料、结构形式，以及整体壁板结构的加工、成形、焊接等制造工艺进行了论述。并结合我国空间飞行器发展需求，给出航天器整体壁板结构制造工艺技术的发展思路和建议。关键词整体壁板航天器结构制造技术1引言整体壁板是由整块板坯加工而成的，不需要采用连接技术而将蒙皮与桁条隔框等加强部分制成一个整体的加筋板件。鉴于整体壁板结构元件的整体性，可以

2、实现零件的等强度设计，提高结构效率和减轻结构重量。因此，整体壁板结构在航天器薄壁结构中具有广阔的应用前景，在现代飞机、运载火箭、空间飞行器等结构中，广泛采用整体壁板结构。美国、俄罗斯、欧空局等研制的大型航天器舱体中均采用整体壁板结构，如美国航天飞机推进舱、国际空间站中的各种实验舱体均为整体壁板结构。特别是国际空间站结构，整体壁板结构为其主要结构形式。图1为几种航天典型轻型结构形式的比较。图1几种典型结构比较从国外航天器密封舱结构的发展可以看出，密封舱壳体结构的发展由半硬壳式结构向CAD/CAM一体化的整体壁板结构方向发展，材料

3、由高强度向综合性能好的方向发展。相对于半硬壳式结构，整体壁板具有诸多优点：a.整体壁板在几何构型方面的选择方式非常灵活：整体壁板的外型面可以实现一些精确的复杂空间曲面，可考虑飞行器光滑过渡的气动外表面需求或空间飞行防护的需要；b.整体壁板的型面筋条可以做成多种截面形状，筋条在蒙皮上的分布可以呈平行、三角形、梯形、网格形或点辐射形等；c.整体壁板的蒙皮与筋条之间采用圆角过渡，可显著降低应力集中程度；d.壁板上的蒙皮厚度可以是等厚的，也可以呈阶梯变厚或均匀变厚，可以实现等强度设计，提高了结构的使用性能；e.取消了点焊点，大大提高了航

4、天器的密封可靠性。另外，整体壁板形式不仅大幅度提高了结构的强度与刚度，而且采用整体壁板可提高结构的密封性能和抗疲劳性能。特别是在强度方面，有些材料焊接接头系数较低，桁条隔框组合式焊接结构会降低壁板结构的可靠性。整体壁板可带来明显的减重效果，可使结构减重约10%～30%。整体壁板结构还可以大大减少连接件和零件数量，从而减少了装配劳动量，将装收稿日期：2006-03-27配工序的周期和工作量缩减80%～90%。2壁板结构材料2.1国外情况早期的一些航天器壁板结构材料主要采用Al-Mg系列铝合金，特别是退火和半冷作硬化状态的LF3、L

5、F6防锈铝的应用最为普遍，这两种铝合金都具有优良的焊接性能。随着航天技术的发展，运载火箭的推进剂贮箱结构材料，从使用非热处理强化的防锈铝，转变到使用可热处理强化的高强度铝合金。2219、LD10CS等铝合金已在多种大型运载火箭和空间站舱体结构上获得成功的应用。20世纪80年代，前苏联研制出高强度、可焊性能好、适宜于低温条件下使用的1460铝锂合金，这种合金被用作能源号火箭芯级(二级)LH2、LO2贮箱的材料。美国洛克希德马丁公司用2195铝锂合金取代2219合金作为航天飞机外贮箱的材料。用2195合金设计的新贮箱被叫做超轻质量贮

6、箱（SuperLightWeightTank），比原来的贮箱减轻质量约3405kg。2.2国内情况我国航天材料与国外发达国家相比，还处于国外20～35年以前的技术水平。LD10合金是我国目前运载火箭推进剂贮箱结构的主要材料。在空间飞行器方面，由于受原材料和工艺水平的制约，仍然以LF6铝合金为主。2219高强铝合金可以热处理强化，其突出特点是焊接性能较好，从-253℃到+200℃均具有良好的力学性能、抗应力腐蚀性能，对焊接热裂纹的敏感性较低，焊接接头塑性及低温韧性较好，因此，是比较适合我国空间飞行器发展需求的材料。国内研制的S14

7、7铝合金与2219铝合金相类似，生成焊接裂纹的倾向性较低，但生成气孔的敏感性较强，尤其是熔合区、密集的微气孔是影响焊接接头性能的主要缺陷。目前该材料还没有在航天器型号中应用。国内在铝锂合金材料方面也开展了一些研究工作，但距离壁板结构应用，无论是材料制备，还是焊接、防护等制造工艺都有很大差距。因此，国内整体壁板结构空间飞行器，短期内仍会依赖LF6铝合金，可热处理强化的2219高强铝合金和1420铝锂合金，具有很好的发展前景。3壁板结构形式3.1壁板加强筋结构尽管壁板结构在飞机、运载火箭贮箱、载人航天器舱体上得到了广泛应用，但由于

8、各自的用途、环境、可靠性等要求不同，壁板结构形式存在很大的差异。在航空领域中，飞机大型壁板多为单方向、单面加筋的小曲率、小变形的结构。航天领域中，运载火箭大型壁板为网格状壁板，网状筋分布在内表面，筋板厚度较大。航天飞机、空间站等载人航天器舱体为了充分利用空间和结