文档介绍：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
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、 LF6 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