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國內外運載火箭貯箱行業技術分析報告（2020年版）

火箭箭體結構是火箭承受各種載荷的支撐構件的總成，它像人的軀體一樣，把火箭的有效載荷、飛行控制系統和推進系統等聯結成一個完整的整體，形成流線形的光滑外殼，保護著箭體內部的儀器設備。因此，人們俗稱它為火箭的殼體。

箭體結構一般由有效載荷整流罩、推進劑貯箱、輸送系統元件、儀器艙、級間段、發動機架和尾段等幾部分組成。

有效載荷整流罩是有效載荷或末級火箭的包封部件，其功用是在大氣層飛行段保護有效載荷。罩的外形隨有效載荷的大小、形狀和氣動特性而定，一般采用錐—柱或錐—柱—錐型硬殼式結構。

推進劑貯箱是貯存推進劑的容器，也是火箭的承力結構。貯箱占火箭體積的大部分?；窘Y構形式，按形狀可分為圓柱形、錐—柱組合形、截錐形、球形、環形和扁豆形等；按受力形式可分為受力式和非受力(懸掛)式；按貯箱的相互關系可分為獨立式(彼此可通過箱間段相連)和整體(共底)式；按結構特點可分為硬殼式、半硬殼式和網格式等。此外，為了總裝對接和布局需要，貯箱前、后兩端常帶有前、后短殼。

運載火箭貯箱工藝技術及發展趨勢情況（附報告目錄）

1、運載火箭貯箱結構整體向著大型化，模塊化的發展方向推進

作為航天技術的基礎，航天運輸系統的技術水平代表著一個國家自主進出空間的能力。確?？煽俊踩?、快速、機動、經濟、環保地進出空間，不僅是未來實現迅速部署、重構、擴充和維護航天器的基礎，也是大規模開發和利用空間資源的前提。從目前來看，作為航天運載系統的主力之一運載火箭正向著大型化、系列化、組合化方向發展，而且各航天大國主流運載火箭的更新換代已經或即將完成。

相關報告：北京普華有策信息咨詢有限公司《國內外運載火箭貯箱行業技術分析報告（2020年版）》

作為運載火箭關鍵分系統之一的箭體結構，其推進劑貯箱多采用高強鋁合金材料經拼裝焊接而成，屬于大型薄壁鋁合金焊接結構，一方面作為液體容器實現推進劑的貯存、增壓輸送等功能，另一方面作為火箭主結構傳遞飛行作用力。我國目前正在研制新一代運載火箭貯箱結構，包括未來的重型運載火箭貯箱，結構輕質化要求，可靠性要求，先進性要求也越來越突出。

隨著運載火箭運載能力要求的不斷提高，運載火箭貯箱結構整體向著大型化，模塊化的發展方向推進；共底結構形式在國外大型貯箱結構中得到更多地應用；高效輕質新型材料得到更多應用，結構更加輕質化，但需特別注意工藝適應性；貯箱結構可靠性的提高，需要不斷推進新型高可靠工藝的應用；貯箱結構設計與先進輕質材料、先進制造技術更加緊密結合，共同推動著結構輕質、高效目標的實現。

2、高強度鋁鋰合金火箭貯箱攪拌摩擦焊接工藝

（1）先進攪拌摩擦焊技術

焊接是制造鋁鋰合金航天構件產品的重要工藝之一。前蘇聯曾對1420、1460合金焊接工藝進行了深人研究。20世紀末，攪拌摩擦焊技術逐漸成為鋁鋰合金理想焊接工藝。鋁鋰合金在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭的高速旋轉有效破碎待焊表面的氧化膜，焊接產生的摩擦熱低于母材熔點，避免了合金中鋰揮發，有效減少焊接接頭的氣孔、裂縫等缺陷，使鋁鋰合金焊接接頭強度、斷裂韌性都顯著提高，達到母材的70%~87%。

目前，歐美等國家已實現攪拌摩擦焊在運載火箭貯箱上的工程化應用。下圖為攪拌摩擦焊在美國宇航產品中的應用。美國Atlas系列、Delta系列等火箭貯箱縱焊縫以及日本H-2B火箭貯箱的筒段縱焊縫和對接環焊縫均采用攪拌摩擦焊技術。美國SpaceX軌道公司以2198鋁鋰合金為原材料，用攪拌摩擦焊完成Falcon 9火箭貯箱箱體環縫焊接制造，并在2010年6月4日成功實現飛行試驗。

攪拌摩擦焊在美國宇航產品中的應用

資料來源：普華有策整理

（2）運載火箭鋁合金貯箱全攪拌摩擦焊接工藝現狀

攪拌摩擦焊技術是1991年英國焊接研究所發明的一項新型固相焊接技術。由于焊接溫度未達到輕質合金熔點，可以有效避免輕質合金熔焊過程中易出現的氣孔、夾雜、熱裂紋等冶金缺陷，該技術的出現為輕質合金的焊接帶來了革命性的變化。攪拌摩擦焊技術一出現便使得工業界產生了極大的興趣，尤其是航天領域。美國宇航機構已經實現了攪拌摩擦焊技術在運載火箭貯箱上的規?；こ虘谩＠?/span>:波音公司率先應用于Deltall火箭中間艙段的制造，并于1999年8月17日成功通過飛行考核，之后推廣應用于Deltall、DeltaIV、航天飛機外貯箱的承壓筒段制造；此外，美國NASA實現了AresI火箭的中5.5m箱底及03.6m獵戶座載人飛船的全攪拌摩擦焊接。隨著攪拌摩擦焊技術的優勢逐漸被認識，我國也開始將該技術應用于鋁合金結構件的制造中。經過近十多年的技術攻關，首都航天機械公司逐步掌握了實現運載火箭貯箱全攪拌摩擦焊接制造的所有關鍵工藝，并逐步實現了在運載火箭貯箱筒段、箱底以及總裝環縫上的工程化應用和考核。

運載火箭貯箱主體結構及主焊縫示意圖

資料來源：普華有策整理

攪拌摩擦焊技術已經成為運載火箭鋁合金貯箱制造的發展趨勢。對實現全攪拌摩擦焊接貯箱的關鍵技術研究結果表明：常規攪拌摩擦焊技術可以實現貯箱簡段縱縫和箱底瓜瓣縱縫的高質量焊接；采用可回抽攪拌頭和無匙孔焊接工藝可以滿足封閉環縫的無匙孔焊接，且回抽區域接頭力學性能完全可以達到設計指標要求;超聲相控陣檢測技術是可以檢測出攪拌摩擦焊縫的常見焊接缺陷，是攪拌摩擦焊技術實現工程化應用的重要配套技術;重復攪拌摩擦焊、“固相或熔焊填充+攪拌摩擦焊”、熔焊修補、摩擦塞補焊是攪拌摩擦焊工程應用中的重要補焊手段，補焊接頭性能均可以達到50%以上。在上述關鍵技術獲得突破的基礎上，我國逐步實現了攪拌摩擦焊技術在運載火箭貯箱筒段縱縫箱底主焊縫直至貯箱總裝環縫上的工程化應用。

報告目錄：

第一章國內外運載火箭貯箱發展概況1

第一節國內外運載火箭貯箱發展狀況1

一、運載火箭貯箱結構整體向著大型化，模塊化的發展方向推進1

二、燃料貯箱薄壁整體箱底技術2

三、超輕量化的燃料貯箱研究3

四、貯箱簡段網格輕質優化設計4

五、液氧低溫貯箱絕熱結構輕質優化設計6

第二節國內外運載火箭貯箱結構與材料發展狀況7

第三節國內外運載火箭貯箱制造工藝發展狀況13

第四節可重復使用運載器貯箱性能要求16

第五節運載火箭貯箱未來發展趨勢21

第六節2016-2020年國內外運載火箭貯箱行業市場容量分析34

一、中國運載火箭貯箱行業市場容量分析34

二、全球運載火箭貯箱行業市場容量分析35

第七節2021-2026年國內外運載火箭貯箱行業市場容量預測35

一、中國運載火箭貯箱行業市場容量預測35

二、全球運載火箭貯箱行業市場容量預測36

第二章國內外運載火箭貯箱結構設計37

第一節一次性使用低溫貯箱熱防護設計37

一、內絕熱式37

二、氦吹洗泡沫外絕熱式39

三、密封泡沫外絕熱式40

第二節重復使用運載器低溫貯箱熱防護系統41

第三節火箭貯箱內襯設計43

第四節火箭貯箱彈性層設計44

第五節火箭貯箱大溫差泡沫夾層共底設計44

一、夾層共底結構設計45

二、夾層材料選擇46

第六節大型共底貯箱結構優化47

第七節無金屬內襯碳纖維夏合材料貯箱抗滲漏設計52

一、納米材料摻雜增強52

二、樹脂基體改性增韌55

三、鋪層結構優化設計57

第八節低溫推進劑貯箱大面積冷屏結構59

第九節火箭貯箱結構健康監測傳感器系統設計62

第十節網格整體加筋貯箱圓筒殼結構優化設計74

第十一節火箭貯箱增壓控制技術89

第三章國內外運載火箭貯箱材料100

第一節火箭貯箱高強度鋁鋰合金材料100

第二節火箭貯箱超低溫用碳纖維增強樹脂基復合材料106

一、含金屬內襯碳纖維復合材料貯箱106

二、無金屬內襯碳纖維復合材料低溫貯箱108

第三節火箭液氧貯箱用聚合物基復合材料109

一、環氧樹脂109

二、氰酸酉樹脂110

第四節火箭低溫貯箱絕熱防護材料111

一、聚氨酯泡沫111

二、聚甲基丙烯跳亞胺(PMI|泡沫115

第五節火箭液氧貯箱用復合材料的測試116

一、材料與LO2的相容性116

二、低溫力學性能120

三、復合材料熱循環壽命分析120

四、氣密性121

第四章國內外運載火箭貯箱制造技術122

第一節高強度鋁鋰合金火箭貯箱成型工藝122

一、瓜瓣成型125

二、旋壓成型封頭頂蓋136

三、叉型環139

四、箱體壁板140

五、近成型件性能142

六、鍛造性能143

第二節高強度鋁鋰合金火箭貯箱攪拌摩擦焊接工藝144

一、先進攪拌摩擦焊技術144

二、運載火箭鋁合金貯箱全攪拌摩擦焊接工藝現狀145

第三節復合材料火箭貯箱成型技術147

一、熱固化成型147

二、電子束固化成型148

三、復合材料自動鋪放技術149

第四節火箭貯箱大溫差泡沫夾層共底加工工藝156

一、薄壁面板攪拌摩擦焊工藝156

二、泡沫夾芯仿形加工158

三、共底膠接裝工藝162

四、夾層共底性能165

第五節貯箱絕熱層打磨機器人系統166

第六節基于滾動環的貯箱吊運翻轉工藝176

一、工藝過程分析177

二、結構強度分析178

第七節火箭貯箱檢驗181

一、光纖光柵傳感器測量貯箱筒段軸壓試驗的應變181

二、無損x光檢驗貯箱完整性188

三、貯箱承壓性檢驗188

四、貯箱氣密性檢驗189

第五章國內外運載火箭貯箱性能分析與數值模擬190

第一節火箭貯箱流固耦合分析190

第二節液體火箭貯箱增壓排液過程溫度場數值研究198

第三節液氫貯箱微重力噴射降壓特性數值模擬208

第四節基于數據驅動的運載火箭貯箱故障診斷方法224

第五節重復使用運載器低溫貯箱結構疲勞壽命與可靠性分析233

第六節高壓射流沖擊對貯箱結構的影響247

第七節充注率及氦氣增壓對低溫貯箱熱分層特性影響258

第八節火箭貯箱排氣對開式加注精度的影響268

第九節低溫液氧貯箱晃動過程的熱力耦合特性275

第六章國內外重點運載火箭貯箱結構290

第一節美國土星一5號運載火箭290

第二節美國宇宙神5號運載火箭295

第三節美國德爾塔運載火箭297

第四節美國SLS297

第五節美國Falcon一9303

第六節俄羅斯能源號火箭307

第七節俄羅斯安加拉號系列火箭308

第八節歐洲阿里安5號火箭.310

第九節日本H2B運載火箭313

第十節中國長征五號運載火箭314

第十一節中國長征六號運載火箭316

第十二節中國長征七號運載火箭317

第七章國內運載火箭貯箱發展水平評估與發展建議322