载人航天器结构工艺瓶颈及对策

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1、航天器环境工程第28卷第6期640SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011ff：12JJ载人航天器结构工艺瓶颈及对策赵长喜(北京卫星制造厂，北京100190)摘要：文章时我国载人航天器工艺需求进行了分析，对载人航天器现存的薄壁结构残余应力控制与消除技术、载人密封结构高可靠低应力焊接技术、碳纤维复合材料应用技术等工艺瓶颈进行了研究，并针对工艺瓶颈提出了解决对策。关键词：载人航天器；制造工艺；残余应力；焊接技术；复合材料中图分类号：V460：TB303文献标识码：A文章编号：1673-1379(2

2、011)06-0640-04DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2011．06．028O引言随着我国载人航天工程的顺利发展，建设长期在轨有人照料的空间站成为载人航天工程三期的重点项目。一方面，在空间站项目强有力的需求牵引下，为新材料和新工艺技术的研究应用提供了机遇；另一方面，空间站结构的长寿命(8～10年)、低漏率、高可靠、轻量化等要求，也给结构材料的选用、制造工艺技术带来很大的难度，尤其是在保证大尺寸载人密封舱体的长期在轨气密性以及结构精度上与国际先进技术还存在一定的差距，还需要进行大量的研究工作。1

3、载人航天器工艺需求分析1．1低地球轨道环境对材料和工艺的影响载人航天器运行在距离地面200,-一700km的低地球轨道上，该轨道与其他轨道相比，显著不同的是更为恶劣的原子氧和热循环环境。而原子氧和热循环对材料和工艺影响很大。NASA研究结果表明原子氧对一些材料(如：碳纤维复合材料、银等)的表面氧化腐蚀很严重。因此，在材料选用和表面防护处理工艺方面需要重点考虑。载人航天器在低地球轨道运行期间反复进出地球阴影，每90min左右沿轨道运行一圈，温度会在．160～+120。C范围内周期性变化。热循环会引起航天器零部件内部应力变化，材

4、料内部的残余应力在热循环过程中会部分释放而引起变形，从而影响航天器部分仪器设备的精度。因此，在材料毛坯应力和制造过程应力的控制方面也需要重点考虑。1．2载人航天器对材料和结构的工艺要求1．2．1适应轻量化航天器结构在满足一定强度和尺寸稳定性的前提下，要求尽量减轻重量。一方面，采用轻质高强的有色金属材料和复合材料，如铝合金、镁合金、钛合金、铝基碳化硅、碳纤维复合材料等；另一方面，采用轻型结构，如泡沫夹层结构、蜂窝夹层结构、整体壁板结构、桁架结构等。因此，工艺技术要适应新材料和轻量化结构的需求。1．2．2工艺稳定性航天产品的高可

5、靠性研制特点，对工艺的稳定性提出了很高的要求，不仅是要研制出产品，而且要求工艺过程可控、稳定，产品可检测。1．2．3工艺高精度载人密封舱结构中的大尺寸密封面、密封槽的加工精度，特别是密封面的表面粗糙度，是直接影响整舱密封性能的重要因素；陀螺、相机、指向机构等产品精度在亚Ilm量级至Ixm量级。这既要求材料和结构具有良好的加工性能，又要求工艺具有精密加工及超精密加工能力。收稿日期：2011．11-08：修回日期：2011-11．18基金项目：国家重大,Vl-技专项工程作者简介；赵长喜(197旺)，男，研究员，研究方向为空间飞行

6、器制造工艺。E-mail：zhaoyz529(国,126．com。第6期赵长喜：载人航天器结构工艺瓶颈及对策1．2．4材料稳定性空间飞行器根据其功能不同，使用寿命从几天到十几年。要求长期工作在辐照、真空、零重力、高低温等特殊空间环境中的航天器材料与结构具有良好的尺寸稳定性，以满足航天器仪器设备对高精度的要求。2载人航天器工艺瓶颈2．1航天器薄壁结构残余应力控制材料内部存在很大且分布不均匀的残余应力，而在切削加工中又会引起残余应力的部分释放和重新分布，从而导致加工变形。零件加工完成后仍然存在很大的残余应力，在贮存过程中会缓慢释

7、放，也能引起零件变形。冈此，对于航天器薄壁结构零件的变形控制是难点，需要对其工艺过程进行分析，重点从原材料或毛坯的状态、加工工艺方法和工艺过程、消除应力方法和时机、加工装夹方法等方面进行深入分析，以期找到有效的工艺措施。2．2载人航天器密封结构高可靠低应力焊接技术焊接是载人航天器密封结构的重要工艺措施，是保证其密封性能和结构强度的重要手段。目前大部分结构焊接均实现了高可靠自动化焊接。但在载人航天器结构中，大量复杂形状的焊缝(如球底、法兰等)仍需靠手工焊来完成。由于手工氩弧焊的热输入量大，焊接残余应力水平高，容易导致焊接结构变

8、形增大、补焊次数增加。因此手工焊缝影响着舱体结构的密封性能，成为密封舱体主结构研制的薄弱环节。载人航天器结构舱段壳体逐渐从半硬壳式结构发展到整体壁板结构。一方面，结构材料除成熟的5A06铝合金外，新型高强铝合金、铝镁钪合金、镁合金等新材料也不断得到发展和应用；另一方面焊接厚度从蒙皮结构的2