浅谈贮箱材料的选择

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

0 引言

贮箱是火箭完整的结构单元，其材料选择与贮箱的承载方式、推进剂种类和制造工艺发展水平密切相关。

1 发展历史

贮箱材料的发展经历了4 个阶段。自运载火箭诞生以来，国外推进剂贮箱的结构材料先后经历了第1 代铝镁合金（5086 和AMг6），第2 代铝铜合金（2014 和2219）和第3 代铝锂合金（1460 和2195），其特点是贮箱选用单一材料，发展趋势是材料的强度、模量越来越高，比重越来越轻；为了进一步减轻结构重量，采用金属与非金属相结合的方式，最终形成了重量较轻、承载能量较高的复合材料贮箱，因此第贮箱的第4 代材料为复合材料。

我国运载火箭推进剂贮箱的结构材料也由开始的5A06铝镁合金发展到2A14 铝合金、2219 铝铜合金，其中2A14 铝合金作为贮箱结构材料使用至今，是现役成熟型号贮箱的主要材料；而2219 铝铜合金则被确定为我国新一代运载火箭贮箱的结构材料。

1.1 铝镁合金

第1 代贮箱材料为铝镁合金，包括5086 和AMГ6。铝镁合金焊接性能好，但材料不可热处理强化，强度较低，结构承载效率低。

1.2 铝铜合金

为了减轻结构重量，贮箱材料逐渐转向比强度较高的第2 代铝铜合金，例如2A14。其特点是材料可热处理强化，结构承载效率较高，但是焊接时容易产生热裂纹，为了提高焊接性能专门设计的新型Al-Cu-Mn 系合金2219，其强度接近2A14，但是塑性、韧性明显改善，低温性能尤其出色。

1.3 铝锂合金

第3 代贮箱材料为铝锂合金，包括1460 和2195。金属锂是室温下固体金属中最轻的金属，其密度只有金属镁的30%。根据理论计算，在铝合金中加入1%的锂，可使合金密度降低3%，弹性模量提高6%，从而使比模量增加约10%。

马丁公司研制的2195 铝锂合金比2219 铝铜合金强度高30%，密度低3%，采用这种材料生产的奋进号航天飞机贮箱重量比原先采用2219 材料贮箱减轻3 406 kg[1]。因此，铝锂合金作为下一代运载火箭贮箱的主要备选材料。

1.4 复合材料

复合材料贮箱由金属衬套和缠绕在外表面的高强度复合材料构成，其中，金属衬套仅作为推进剂的贮存容器，内压载荷主要由外表面的复合材料承担。由于金属衬套不作为主要受力件，厚度可以很薄，只要与推进剂相容以及承担外层纤维的缠绕产生的压力载荷就可以；外表面的纤维材料一般选用高强度碳纤维，充分发挥了复合材料轻质、单向抗拉强度高的特性，所以整个结构重量大幅降低。

织女AVUM 舱的贮箱以0.8 mm 厚CP-3 钛合金为衬套，外表面以T1000GB 高强度碳纤维和EPON826 树脂缠绕成型。整个结构重量，钛合金占的比重为18.74%，碳纤维占的比重为75.35%，其余为树脂[2]。

2 国内外应用情况

国内外主要上面级贮箱材料选用情况见表1。

表1 国内外主要运载火箭贮箱结构材料

3 材料选择的主要原则

贮箱材料的选择需要综合考虑力学、物理性能以及材料与推进剂相容性和工艺性等因素。

3.1 力学、物理性能

贮箱作为容纳推进剂的容器，根据结构布局分为悬挂式和承力式。悬挂式贮箱主要承受内压载荷，材料的比强度越高，结构的重量就越轻，例如欧洲阿里安5EPS 二子级和我国发射北斗卫星的上面级贮箱，均按照强度设计贮箱厚度；承力式贮箱在承受内压的同时还要承受较大轴压和弯矩载荷，运载火箭的一子级、二子级贮箱均为此种类型，应选用比刚度较高的材料，按照失稳模式计算贮箱厚度尺寸。

贮箱结构常用材料包括铝合金、钛合金和钢合金，3 种材料的比刚度差别不大，但钛合金具有较高的比强度，其次是铝合金，再次是钢合金。从承载考虑，对以内压为主要设计工况的贮箱选择钛合金是最适宜的。阿里安5GEPS 上面级以四氧化二氮和一甲基肼为推进剂，选择2219 作为贮箱材料，为了提高火箭的运载能力，曾提出以钛合金（Ti15.3.3）替换铝合金（AL2219）的方法。

对于低温推进剂，需要考虑材料在低温环境下的性能变化。一般而言，随着温度的降低，铝合金材料的拉伸强度、屈服强度不断增加，塑性和切口的屈服强度比则不敏感；但是也有例外，7000 系合金在0 K 温度下相对于常温，断面收缩率下降约50%，因此700 系合金不适宜用于低温环境[3]。

3.2 与推进剂相容性

作为推进剂的载体，贮箱材料最重要的是不与贮存的推进剂发生反应，或者被推进剂腐蚀。根据QJ1387—88《金属材料在硝基氧化剂中静态浸泡腐蚀试验方法》中金属材料与硝基氧化剂相容性分级标准，只有与推进剂1 级相容的材料才适宜做为长期（7 d 以上）贮存推进剂的贮箱材料[4]。

由于推进剂不同，贮箱材料也不同。与四氧化二氮和偏二甲肼1 级相容的1Cr18Ni9Ti，与过氧化氢却是2 级相容，不适合用于长期与过氧化氢接触；现役火箭大量使用的2219铝合金，与液氧、煤油1 级相容，但与肼混合物2 级相容，对选用肼混合物为推进剂的飞行器，不适宜选用2219 作为贮箱材料。

3.3 工艺性

3.3.1 焊接性能

贮箱材料加工包括拉伸、滚弯、热处理、化学铣切和焊接等，其中最重要的是焊接工艺。贮箱的焊接工艺由最初的钨极氩弧焊逐渐发展到电子束焊、变极性等离子弧焊和现在的搅拌摩擦焊。铝合金易于进行钨极和熔化极氩弧焊，随着材料的发展，其强度不断提高、比重不断减小，但是熔焊性能却逐步降低。搅拌摩擦焊是一种基于微区锻造的绿色固态焊接工艺，不需要气体保护和填充金属，对人体无不良影响，尤其适用于高强、熔焊难于焊接的铝合金材料焊接。搅拌摩擦焊在国外已经广泛应用，例如美国Delta 和Atlas 火箭的贮箱、日本H-2B 贮箱均采用该工艺生产，我国新一代运载火箭长征五号的贮箱也大量采用了搅拌摩擦焊焊接工艺，为减轻重量、提高运载能力做出了贡献。

搅拌摩擦焊形成的焊缝性能较高；同时，由于搅拌摩擦焊的焊接温度低于金属熔点，因此不必担心材料的化学反应以及由此引起的与推进剂的相容性问题。

3.3.2 断裂韧性和亚裂纹扩展速率

贮箱是一种压力容器，一旦出现推进剂泄漏或者渗漏，将会危害身体健康，严重的会造成箭毁人亡。因此需要格外关注贮箱材料的断裂韧性和亚裂纹扩展速率[5]。

原材料制备和结构件生产过程中不可避免地会产生裂纹的缺陷，应选择断裂韧性好和裂纹扩展速率低的材料，避免低应力脆断问题，最大限度地提高产品可靠性和使用寿命。

贮箱的破坏形式，希望是泄漏而不是爆破，因此贮箱材料的断裂韧性应尽可能高，其临界裂纹尺寸一般应超过箱体壁厚的1~4 倍。贮箱从生产到发射，在检测、使用和维护过程中需要充压几十次到上百次，存在循环载荷作用下亚裂纹扩展问题，在使用寿命期间，增长后的裂纹不应超过给定应力水平下允许的临界裂纹值。

铝合金的切口屈服强度比在0 K ～300 K 内一般不变化，随着强度增加逐步降低；2219 铝合金为1.4，6061 铝合金可以达到1.6，表明在低温下，即使出现尖锐的应力集中，具有阻止裂纹产生并扩展的能力；2014 铝合金切口屈服强度比达到1.0 以上，7000 系铝合金（除7005）在4K 低温下的切口屈服强度比只有0.4，因此不适宜应用于低温环境。

4 未来发展

选择高比刚度、高比强度的材料，可以减轻重量，并降低装置的惯性负荷。以非金属替代金属、以有色金属替代钢铁，已成为贮箱材料应用大势所趋，纤维增强复合材料正逐渐成为重要的贮箱结构材料之一。

纤维增强复合材料具有高的热导比模量（弹性模量与热导率之比）和高的热导比强度（屈服强度与热导率之比），可以大大减少那些必须置于有温差环境中构件的漏热，这对于低温贮箱来说是至关重要的。

复合材料比其他材料有更自由的可设计性，例如可以根据需要用不同的纤维及改变其排列来调节线膨胀系数，使复合材料在相当大温度范围内呈现零膨胀系数，并且还具有无磁、容易加工成形等优点，使它很快在航天技术领域得到推广和使用。

5 结论

根据贮箱受力特点，分别选用高比强度或者高比刚度材料；随着材料工艺、焊接工艺的发展，贮箱结构效率不断提高；复合材料贮箱代表了未来的发展方向，尤其是不使用金属内胆的纯复合材料贮箱是各国研究的重点，充分利用材料轻质、高模量和高强度的特性，为进一步减重提供了发展空间。