液体火箭发动机制造技术发展现状

　　1引言

　　目前，为了满足商业发射的需要，占据发射市场，同时也为了降低发射成本，各航天大国都在研制新的运载火箭或在原有火箭的基础上进行改进，象美国的德尔它4和宇宙神5，日本的H2A、俄罗斯的安加拉以及欧空局的阿里安5，这些火箭通过搭配不同的助推器或改进上面级来承担不同载荷的发射任务。阿里安5火箭1996年首飞成功后，曾经占据了近一半的国际商业卫星的发射市场，面对日益加剧的市场竞争，欧空局对阿里安5主级发动机Vulcain进行了必要的改进，成为性能提高、成本降低的改进型Vulcain2，同时还研制了两种新上面级ESC-A和ESC-B。主级发动机的改进及不同上面级的使用，使阿里安5火箭系列化，可承接由低到高不同载荷的发射，GTO最高运力可达12吨，可与美国新一代火箭德尔它4和宇宙神5相抗衡。尽管近期由于缺乏市场需求，欧空局暂缓最高运力火箭的研制，但制造Vulcain2和ESC-B上面级Vinci发动机的工艺技术代表了当今液体火箭发动机技术的发展现状，其制造技术的研究对我国火箭发动机的研制仍具重要意义。

　　2推力室制造技术

　　随着发动机性能要求的提高，推力室的工作压力和热负荷也显著增加，要求制造技术水平相应地提高。推力室制造工艺经历了由比较简单的低合金钢冷却套壁板焊接，发展到再生冷却夹层结构的波纹板和不锈钢夹层的钎焊技术，然后又发展到内壁沟槽结构的数控铣切、外壁电铸镍以及管束式液压填充冲压成形和高温真空钎焊等制造技术，使推力室内壁的冷却效果逐步提高。由于液体火箭发动机运行时要承受剧热和强烈的机械载荷，因此推力室零件要选用热导性好，抗热性高的特殊铸锻造合金材料。而零件的制造工艺则成为工艺研究不断探讨的难点和重点。推力室主要分为喷注器、燃烧室及喷管延伸段三大主要部件。

　　2.1喷注器

　　液氢、液氧燃料在喷注器中混合后引入燃烧室并点火，液氧提供到喷注器时压力为149bar，温度为96K。图1为喷注器组件示意图。

　　图1喷注器组件图

　　从Vulcain研制开始，各生产工艺都在不断优化。Vulcain的点火器管由三个可分零件焊接在一起，而Vulcain2选用了Inconel718材料，以真空精密铸造作为一个零件制造而成，即采用先进的铸造技术减少了喷注器的零件数量；Vulcain中的516根液氧喷嘴是通过扩散焊与Inconel718基板连接，在Vulcain2的工艺优化中，由钎焊取代扩散焊，将液氧柱插入基板中。而上面级Vinci的工艺更领先一步，带液氧喷嘴的基板由精密铸造制成整体结构，然后进行热处理和时效。精密铸造成型后的Vinci喷注器头部，综合运用了钻深孔、铣削加工以及螺纹铣技术。

　　2.2燃烧室

　　改进型Vulcain2燃烧室的压力从115bar上升到180bar，燃烧温度是3500K。超过8000W/cm2的最大热通载荷是根据燃烧室压力产生的。为使通过进入冷却通道的氢带走巨大的热流量，燃烧室材料必须具有较高的热导性。

　　SSME采用Narlay-Z铜基合金作为燃烧室内衬材料，而Vulcain选用了CuAgZr。Ariane5低能量上面级——Aestus发动机是基于HM7工艺生产的，由于它使用腐蚀性燃料(MMH/N2O4)以及低热载荷，因此选择了奥氏体铬-镍钢作为燃烧室材料。

　　在工艺选择上，阿里安系列低温发动机的燃烧室采用在铜内衬上铣削冷却通道，然后用电铸工艺覆盖通道，而俄罗斯是用钎焊工艺密封通道。美国和日本除采用整体结构之外还采用管状结构，如冷却结构是由液压形成和捆扎管组成，电铸或钎焊技术覆盖冷却通道用做承受载荷的附加装置，这点与俄罗斯和德国相同。

　　阿里安系列低温发动机燃烧室整体结构加工有以下步骤：

　　a.真空精密铸造和锻造（铜燃烧室半成品）；

　　b.铣冷却通道，车最后的轮廓；

　　c.用蜡填充冷却通道；

　　d.用电镀铜封合冷却通道；

　　e.电铸镍外壳；

　　f.使腊熔化掉。

　　这种整体加工的优缺点如下：

　　a.冷电镀工艺，因此对铜合金（CuAgZr）的机械及物理特性没有影响；

　　b.用电镀成形可进行复杂几何形状的生产；

　　c.所选热气壁的厚度不同，冷却通道的宽度和高度都可调；

　　d.表面粗糙度非常小，使压力损失在冷却通道上很小；

　　e.制造时间长、成本高；

　　f.材料选择有限（限制为单个零件系统如镍或铜层）。

　　为减少运载器的成本，特别是核心生产过程，Astrium对加工技术进一步优化，以期达到直接减少生产时间和成本的目的。象机加工和脉冲电铸工艺等主要项目不同程度地达到了目的，也体现了当今燃烧室先进的加工水平。

　　2.2.1冷却通道的高性能切削技术

　　大量的加工应用和难加工材料促使Astrium于2000年进行“HPC-高性能加工，即精度、材料和加工时间达到最高要求”的项目，由于该技术至关重要，Bavarian研究基金会也为该项目提供了资金资助，同时得到一些大学研究室和一些中小公司的协助。Astrium在这项技术任务上也引进了一台新加工中心。该项目首先要完成Vulcain2主级和Vinci上面级燃烧室冷却通道的铣削，以验证高性能加工。加工材料为CuAgZr，要加工468条通道，最宽为0.7mm，深10mm，燃烧室剩余壁厚为0.6mm，通道几何形状除直槽外还有曲线形状。专门研制的薄铣刀，厚为0.7mm，由碳化物制成，用来加工直槽段。铣削时需要特殊的夹具，铣削过程中还必须保证低振动环境与刚性。刀具稍加修改就可加工出U型和S型，见图2～4。

　　加工参数可调到传统加工的10倍，主轴速度2000转或更高。增加加工参数要求刀具绝对可靠。这种刀具由碳化物制成。加工后需要验证表面粗糙度，因为冷却通道壁的表面对冷却输出至关重要。光滑的壁面才能使热量通过最大壁厚0.6mm，从燃烧室传到低温氢燃料上。

　　高性能切削及中间测量的引入，保证了工艺的可靠性，特别是加工中的测量，参见图5。测量可直接反馈到机床控制系统，从而纠正铣削过程中的参数控制，同时优化铣削的结果。采用高性能切削工艺可使芯部加工节省成本达50%，节省时间超过50%，零件质量还有所改进。

　　2.2.2脉冲电铸外壳

　　通过电化学工艺对导电表面镀上一层金属层的基本理论已有近200年的历史，就是利用这种原理将镍层沉积到燃烧室的CuAgZr基体上。与传统的电镀不同，电铸可形成几毫米厚的厚涂层。Astrium最初通过直流电流对燃烧室冷却通道进行电铸，产生镍外壳，现在又发展了脉冲电铸镍外壳技术。这种新电铸技术可使电铸的厚金属层具有很好的延伸性、强度和柔性等。此技术已用在Vulcain2和Vinci发动机上。与直流电铸相比，涂层厚度增加，生产时间减少。以Vulcain为例，采用脉冲电铸只需2层，而用直流电铸则需5层，相应地，生产时间减少30%以上。

　　电铸工艺具有电镀沉积工艺温度低、沉积时间短和成形精度高的优点。表面氧化薄层的形成使镍特别抗腐蚀，而通过电铸进行沉积时与固态镍相比，高硬度也同低内应力一起出现。

　　电铸镍外壳步骤如下：进行电铸工艺前必须确定表面轮廓，机加工后，首先需要通过清洁手段清除燃烧室外表面的所有污染。通过加碱和超声清洗，然后封闭冷却通道，用一种特殊的电镀蜡封住，对蜡来说，要求具有很宽温度内的成形精度及高导电性能。在进行电镀前，燃烧室材料要进行特殊的预处理，即将薄铜涂层沉积在燃烧室基体上，然后进行处理，封闭冷却通道，这样，就保证在要镀的层面上有好的粘附力及一个光滑和均匀的涂层。镍沉积在第二层上，采用脉冲电铸，25mm厚的电铸镍可分两步铸上。电铸镍外壳完成后，填充的蜡要融化掉，然后再清洁冷却通道。

　　充腊时采用自动充腊工具，一般是手动执行，这样可明显地节省工作时间和所用材料。去除腊时，先用指形铣打开冷却通道，然后使用专门研制的清除机器来清除冷却通道的腊。对每个冷却通道进行水流量检查试验，测量流速和压力降，其结果即可检验整个冷却通道腊的去除，也可通过每个通道的流量特征来检查制造公差和偏差。