載人航天器結構工藝瓶頸及對策

趙長喜

（北京衛星制造廠，北京 100190）

0 引言

隨著我國載人航天工程的順利發展，建設長期在軌有人照料的空間站成為載人航天工程三期的重點項目。一方面，在空間站項目強有力的需求牽引下，為新材料和新工藝技術的研究應用提供了機遇；另一方面，空間站結構的長壽命（8～10年）、低漏率、高可靠、輕量化等要求，也給結構材料的選用、制造工藝技術帶來很大的難度，尤其是在保證大尺寸載人密封艙體的長期在軌氣密性以及結構精度上與國際先進技術還存在一定的差距，還需要進行大量的研究工作。

1 載人航天器工藝需求分析

1.1 低地球軌道環境對材料和工藝的影響

載人航天器運行在距離地面200～700 km的低地球軌道上，該軌道與其他軌道相比，顯著不同的是更為惡劣的原子氧和熱循環環境。而原子氧和熱循環對材料和工藝影響很大。

NASA研究結果表明原子氧對一些材料（如：碳纖維復合材料、銀等）的表面氧化腐蝕很嚴重。因此，在材料選用和表面防護處理工藝方面需要重點考慮。

載人航天器在低地球軌道運行期間反復進出地球陰影，每90 min左右沿軌道運行一圈，溫度會在-160～+120℃范圍內周期性變化。熱循環會引起航天器零部件內部應力變化，材料內部的殘余應力在熱循環過程中會部分釋放而引起變形，從而影響航天器部分儀器設備的精度。因此，在材料毛坯應力和制造過程應力的控制方面也需要重點考慮。

1.2 載人航天器對材料和結構的工藝要求

1.2.1 適應輕量化

航天器結構在滿足一定強度和尺寸穩定性的前提下，要求盡量減輕重量。一方面，采用輕質高強的有色金屬材料和復合材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋁基碳化硅、碳纖維復合材料等；另一方面，采用輕型結構，如泡沫夾層結構、蜂窩夾層結構、整體壁板結構、桁架結構等。因此，工藝技術要適應新材料和輕量化結構的需求。

1.2.2 工藝穩定性

航天產品的高可靠性研制特點，對工藝的穩定性提出了很高的要求，不僅是要研制出產品，而且要求工藝過程可控、穩定，產品可檢測。

1.2.3 工藝高精度

載人密封艙結構中的大尺寸密封面、密封槽的加工精度，特別是密封面的表面粗糙度，是直接影響整艙密封性能的重要因素；陀螺、相機、指向機構等產品精度在亞μm量級至μm量級。這既要求材料和結構具有良好的加工性能，又要求工藝具有精密加工及超精密加工能力。

1.2.4 材料穩定性

空間飛行器根據其功能不同，使用壽命從幾天到十幾年。要求長期工作在輻照、真空、零重力、高低溫等特殊空間環境中的航天器材料與結構具有良好的尺寸穩定性，以滿足航天器儀器設備對高精度的要求。

2 載人航天器工藝瓶頸

2.1 航天器薄壁結構殘余應力控制

材料內部存在很大且分布不均勻的殘余應力，而在切削加工中又會引起殘余應力的部分釋放和重新分布，從而導致加工變形。

零件加工完成后仍然存在很大的殘余應力，在貯存過程中會緩慢釋放，也能引起零件變形。

因此，對于航天器薄壁結構零件的變形控制是難點，需要對其工藝過程進行分析，重點從原材料或毛坯的狀態、加工工藝方法和工藝過程、消除應力方法和時機、加工裝夾方法等方面進行深入分析，以期找到有效的工藝措施。

2.2 載人航天器密封結構高可靠低應力焊接技術

焊接是載人航天器密封結構的重要工藝措施，是保證其密封性能和結構強度的重要手段。目前大部分結構焊接均實現了高可靠自動化焊接。

但在載人航天器結構中，大量復雜形狀的焊縫（如球底、法蘭等）仍需靠手工焊來完成。由于手工氬弧焊的熱輸入量大，焊接殘余應力水平高，容易導致焊接結構變形增大、補焊次數增加。因此手工焊縫影響著艙體結構的密封性能，成為密封艙體主結構研制的薄弱環節。

載人航天器結構艙段殼體逐漸從半硬殼式結構發展到整體壁板結構。一方面，結構材料除成熟的5A06鋁合金外，新型高強鋁合金、鋁鎂鈧合金、鎂合金等新材料也不斷得到發展和應用；另一方面焊接厚度從蒙皮結構的2～3 mm發展到壁板結構的5～8 mm，甚至厚達100 mm。因此，需要研發高可靠低應力的先進焊接技術。

2.3 碳纖維復合材料應用技術

隨著載人航天事業進一步發展，對載人航天器的材料和結構重量比提出了更高的要求，即一方面要不斷地降低材料與結構的重量，另一方面要求增加有效載荷的裝載數量。因此，需要廣泛地應用先進的碳纖維增強樹脂基復合材料。

根據空間站長期在軌的載人密閉環境保障的要求，對碳纖維復合材料揮發性有機物含量的控制、防霉菌、阻燃性等提出了更高的要求。

因此，必須開展適用于載人密封結構的碳纖維復合材料及其工藝改進研究。

3 載人航天器材料與工藝技術對策

3.1 薄壁結構殘余應力消除和變形控制

3.1.1 材料毛坯的選用控制

材料毛坯的加工方法和熱處理狀態，對材料內部的殘余應力影響很大。鍛造毛坯內應力遠大于常規板料內應力；經熱處理強化的 T4、T6狀態的原材料殘余應力明顯大于沒有經熱處理強化的熱處理狀態。因此，選擇合理的材料毛坯和熱處理狀態對鋁合金薄壁結構零件的加工變形控制至關重要。

對于鋁合金板料，應盡量選用經過預拉伸處理的板料。預拉伸材料內部殘余應力小而均勻，且為拉應力狀態，能夠顯著改善加工過程中的變形。

對于鍛件毛坯材料，應盡量通過長時間的自然時效處理來降低其殘余應力，并建議加工前安排合理的消除應力工序。

3.1.2 加工方法的選用控制

不同的加工方法，切削力和切削熱差異很大，反映到零件上就是加工變形的大小。一般而言，車削加工、刨加工、鏜加工等單刃單點的切削力較小，加工變形也小。銑加工鋁合金薄壁結構，要盡量減小切削深度和進給量以減少切削力和切削熱，并盡量采用鍤銑和高速銑。

不同的加工順序對加工變形影響也很大，安排工序時要盡可能早地釋放材料毛坯的內應力，即采取必要合理的消除應力措施。

特種加工對鋁合金薄壁結構也是一種很好的選擇，除了常規的電火花加工、電火花線切割之外，電解加工、高效電火花銑削加工、超聲振動加工等技術也逐漸成熟并得到推廣應用。

3.1.3 裝夾方法的選用控制

零件在加工前，為防止零件切削過程中移動和脫落，夾具應有足夠的壓緊力。在加工過程中由于零件側壁逐漸變薄，剛性下降，且在夾具壓緊力的作用下，容易使零件側壁受壓失穩變形，造成零件尺寸超差。因此，鋁合金薄壁結構零件的裝夾方法對零件的加工變形控制非常關鍵。既要保證定位和夾緊，又不能使夾緊力作用于薄壁結構而引起變形，比較可行的工藝措施是設計必要的裝夾定位面和采用真空裝夾技術。

3.1.4 殘余應力的控制

常規的殘余應力消除方法包括自然時效、人工時效、退火處理、機械振動等。對于鋁合金薄壁結構而言，自然時效周期太長；人工時效因為溫度低而效果不理想，退火處理后的材料性能又下降太多。機械振動多用于黑色金屬鑄件。因此，高強鋁合金薄壁結構的應力消除難度很大。

隨著振動消除應力技術的不斷發展和完善，開始在有色金屬領域應用。振動消除應力技術與常規的熱處理退火、時效處理工藝相比，具有處理時間短、耗能少、適應范圍廣、對環境要求少、設備簡單及成本低等優點且效果顯著。

3.2 高可靠低應力密封結構焊接技術

3.2.1 先進焊接方法的應用研究

鋁合金變極性等離子弧（VPPA）焊接技術是專門為鋁合金材料而開發的一種高能束焊接技術，其綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊兩方面的優點，能夠有效控制焊接熱輸入，降低焊接變形。VPPA焊接工藝適合于中等厚度鋁合金焊接，也是空間站密封艙結構焊接的最佳方法，其中國際空間站、航天飛機等載人航天器主結構均采用此焊接方法。經過近年的自主研發，我國已經突破并掌握了VPPA焊接工藝技術，并成功應用于“天宮一號”艙體的縱縫和環縫焊接，焊縫合格率達到100%。

攪拌摩擦焊（FSW）屬于固相焊，無需保護氣體和填料。但由于方法的限制，對被焊工件的加工精度、焊接裝配精度、焊接工裝剛性等都有很高的要求。因此，對結構復雜的載人航天器主結構焊接而言，存在工藝準備周期長、成本高，零部件超差（對于研制性質的產品而言是不可避免的）處理困難，甚至不能焊接的風險。而對于大型鎂合金結構件的異種材料焊接，FSW無疑是一種比較好的工藝方法。

電子束焊也是一種很好的焊接方法，但對于大型載人航天器結構焊接而言，需要特別龐大的真空室，顯然是很昂貴的；而對于復雜的焊縫又限制了真空電子束焊接方法的應用。因此電子束焊不適合大型載人密封艙結構的焊接，而比較適合于精密小型結構、機構件。

3.2.2 自動化焊接技術應用

推廣使用自動化焊接技術，特別是空間曲線焊縫的自動焊接技術是載人航天器焊接工藝的發展趨勢和亟需解決的工藝難題。應用機器人自動焊接技術，將多軸聯動的機器人與TIG、MIG或VPPA焊接系統相集成，實現復雜空間曲線焊縫的自動焊接。

變極性等離子弧（VPPA）焊接方法對焊槍與工件的相對位置有嚴格要求，因此，實現復雜曲線焊縫的VPPA自動化焊接，要求采用多自由度的自動化焊接工藝設備，使焊槍與焊縫位置始終處于垂直向上的關系，且對裝配精度、運動軌跡規劃和焊縫跟蹤裝置要求更高。

法蘭等空間曲線焊縫成為載人密封艙體研制的瓶頸，亟需開展空間曲線焊縫的低應力自動焊接技術研究。

3.3 碳纖維復合材料應用技術

3.3.1 復合材料樹脂體系篩選

復合材料中的揮發性有機物及其毒性的累積效應是阻礙其在載人艙內應用的關鍵，也是最主要的技術難點。

目前常用于衛星和航天器結構制造的樹脂基體系復合材料主要包括環氧樹脂、氰酸酯、環氧改性氰酸酯和帶有添加劑的改性氰酸酯等，其性質與工藝條件各不相同，產品性能也有一定差異，需要根據復合材料樹脂基體自身的結構、性質、工藝條件及其對材料安全性的作用，通過綜合性能評價與比較，選擇適當的幾種樹脂基體系復合材料作為艙內安全性材料的備選項。

3.3.2 復合材料耐燃性和耐真菌性研究

復合材料的耐燃性和耐真菌性對載人密封艙內環境保障有著很重要的作用。國外載人航天早期的項目中，多次發生過由于耐燃性不符合要求而造成項目失敗，甚至人員傷亡的慘痛教訓。國內目前尚沒有適合載人艙內復合材料耐燃性和耐真菌性測試方法與標準，可以參考借鑒美國NASA標準和美軍標中相關內容。

3.3.3 低揮發復合材料體系工藝優化

根據材料篩選和測試結果，得到了能夠滿足艙內使用條件的復合材料樹脂體系后，需要進行適用于密封艙內結構的工藝優化。考慮到艙內環境的高要求，尤其重要的是必須在工藝過程中徹底杜絕任何可能引入污染物和揮發性毒性成分的步驟、方法與設備。

4 結束語

針對載人航天器結構亟需解決的工藝技術瓶頸進行了分析，提出的對策與措施基本可以滿足載人航天后續任務的要求。但從長遠來看，為了適應我國載人航天器高可靠、長壽命的發展要求，還有很多問題亟待解決，如載人密封結構應力測試與評估技術等，需要大量的技術基礎積累和關鍵技術突破，需要更進一步的工藝分析與研究，加強關鍵技術突破和技術基礎積累，推動載人航天更好地發展。

（References）

[1]湛永鐘, 張國定.低地球軌道環境對材料的影響[J].

宇航材料工藝, 2003, 33(1)Zhan Yongzhong, Zhang Guoding.Low earth orbit environmental effects on materials[J].Aerospace Materials & Technology, 2003, 33(1)

[2]關橋, 欒國紅.攪拌摩擦焊的現狀與發展[C]// 第十一次全國焊接會議, 2005