楊浩亮 李新宇 明愛珍 郄 旭 楊毅強

1.北京中科宇航技術有限公司；2. 中國科學院力學研究所

2023年1月，美國太空探索技術公司（SpaceX）的新型研制型號“超重－星艦”進行了首次加注合練和靜態(tài)點火，在90min內(nèi)注入了約4860t的低溫推進劑，整個箭體重量超過5000t，成為人類有史以來最大的航天器。在加注完成之后的泄出過程中，“超重”芯一級B7不銹鋼貯箱變形，合計3處出現(xiàn)失穩(wěn)，形成凹坑。

“超重－星艦”的設計目標是實現(xiàn)星際運輸?shù)闹貜褪褂?，如果每次補給燃料或飛行時，都會使其箭體發(fā)生不可預測的變形，造成無法多次復用，安全性無法保證。根據(jù)“超重－星艦”的加注和泄出情況，本文對其不銹鋼貯箱的應用和設計進行了分析。

一、“超重－星艦”簡介

2019年，SpaceX開始快速迭代改進“超重－星艦”，堅持小步快跑的方式，旨在最終將人類送上火星、月球、其他深空目的地和地球周圍的點對點旅行。以近地軌道的運載能力作為比較，NASA載人登月火箭的“土星5號”運載能力為118t，“超重－星艦”運載能力在可重復使用的狀態(tài)下高達150t，在不重復使用的狀態(tài)下可達250t。

“超重－星艦”總高度約為120m、直徑9m，芯一級安裝33臺“猛禽”發(fā)動機；開發(fā)測試理念是“測試、飛行、失敗、修復、重復”，原型開發(fā)測試從2018年12月開始，至今已經(jīng)建造并測試了20余個原型?！懊颓荨卑l(fā)動機是全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，使用液態(tài)甲烷和液氧作為推進劑，具有高可靠性和低成本的優(yōu)勢，“猛禽”第二代發(fā)動機可提供220t推力，造價低于25萬美元。2022年11月，SpaceX公司的“星艦”S24和“超重”B7“合體”，“合體”之后，對發(fā)射塔的快速斷開（QD）接口進行測試，對其不銹鋼貯箱加注液氮開展低溫測試，在合練加注泄出的過程中，不銹鋼貯箱出現(xiàn)了3處失穩(wěn)導致的凹坑。

二、傳統(tǒng)運載火箭貯箱

為了實現(xiàn)整個火箭箭體結(jié)構(gòu)的輕量化，傳統(tǒng)運載火箭的貯箱均采用鋁合金貯箱，且直徑一般不超過5.2m。隨著運載火箭運載能力要求不斷提高，傳統(tǒng)運載火箭貯箱結(jié)構(gòu)整體向著大型化、模塊化的發(fā)展方向推進。

第一代貯箱為鋁鎂合金焊接貯箱，采用材料為5A06，焊接性能良好。第二代貯箱采用鋁鋰合金2A12、2A14（LD10），其抗拉和屈服強度大幅度超過第一代鋁鎂合金，但焊接性能急劇下降，在熱處理強化狀態(tài)下焊接，易產(chǎn)生焊縫金屬凝固裂紋及近縫區(qū)母材液化裂紋，焊縫脆性大，工藝實施要求高。第三代鋁合金選用鋁鋰合金2219，引入攪拌摩擦焊工藝，克服了第二代鋁合金貯箱焊接的難題，進一步提高了貯箱的抗拉和屈服強度。國外多選擇新型鋁鋰合金2195、2198作為第四代材料，在低溫條件下，第四代鋁合金具備良好的比強度和比剛度。

在貯箱成型工藝方面，整體旋壓成形技術已成為制造運載火箭貯箱箱底的先進工藝，該技術可簡化貯箱箱底制造工藝，提高生產(chǎn)效率和貯箱可靠性。美國的“德爾塔”（Delta）系列火箭、“宇宙神”（Atlas）系列火箭、日本的H-2B 火箭的貯箱箱底、美國“戰(zhàn)神”1號火箭直徑為5.5 m的上面級2195鋁鋰合金貯箱箱底結(jié)構(gòu)均采用整體旋壓成形+熱處理工藝制造。

三、“超重－星艦”的不銹鋼貯箱

“超重－星艦”從2016年首次公開直至2018年底，并未采用傳統(tǒng)的鋁合金貯箱，而是采用碳纖維復合材料貯箱。2019年初，SpaceX推翻了“超重－星艦”原有的設計方案，將貯箱材料從高強度低重量的碳纖維復合材料變成工作常用的301不銹鋼，并報廢了結(jié)構(gòu)形式復雜、成本高昂的復合材料工裝（見圖1）。

圖1 成本高昂的復合材料貯箱模具

“超重－星艦”貯箱采用的不銹鋼是一種常規(guī)的材料，具備耐高溫、強度高、易加工、價格便宜、可室外焊接的特點，其密度是鋁合金的3倍，導致其極少出現(xiàn)在航空航天的領域。

1. 貯箱設計

運載火箭的貯箱主要采用硬殼式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)，承受火箭運輸、加注和飛行過程中貯箱內(nèi)部的壓力和軸向載荷。內(nèi)部元件主要包括箱體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、貯箱附件、管路系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)四大部分。箱體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括短殼、圓筒段和箱底，其中短殼、圓筒段傳遞軸向載荷，彎矩載荷以及發(fā)動機機架和級間桿系所引起的集中載荷。箱底與圓筒段相連組成一個封閉容器，主要承受內(nèi)壓載荷，短殼、圓筒段和箱底通過焊接成型為一壓力容器箱體，用于存儲推進劑；貯箱附件主要指防晃裝置、防漩裝置、消能器等；管路系統(tǒng)主要指推進劑輸送管路、增壓管路、加注管路等；絕熱系統(tǒng)可使推進劑處于額定工作溫度，維持發(fā)動機性能穩(wěn)定而覆蓋于貯箱和輸送管路表面的絕熱材料。

前后短殼主要承受軸向載荷，選用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)或半硬殼式結(jié)構(gòu)；前后箱底主要承受貯箱內(nèi)壓載荷，選用硬殼式結(jié)構(gòu)；筒段是貯箱受力最復雜的位置，根據(jù)受拉和受壓工況設定結(jié)構(gòu)形式。設計時，根據(jù)具體受力選擇結(jié)構(gòu)形式：前后短殼主要承受軸向載荷，選用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)或半硬殼式結(jié)構(gòu)；前后箱底主要承受貯箱內(nèi)壓載荷，選用硬殼式結(jié)構(gòu)；筒段是貯箱受力最復雜的位置，需要根據(jù)設計輸入進行判斷，采用公式計算折合軸向力：

式中：N為截面軸力，M為截面彎矩，f1和f2為安全系數(shù)，p=p0+nxhρg，p0為增壓壓力，液柱壓力為nxhρg，nx為過載，h為液柱高度。

當T1＜0時，貯箱軸向受拉，以內(nèi)壓設計為主，軸壓校核為輔，采用光殼結(jié)構(gòu)。當T1＞0時，對于貯箱軸向受壓，以軸壓失穩(wěn)作為主要的設計因素，采用網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。設計上使用應力不超過設計應力，確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生失穩(wěn)，不產(chǎn)生應力強度破壞?！俺兀桥灐钡馁A箱設計與傳統(tǒng)貯箱設計一致。

2. 不銹鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化方面，鋁合金相較不銹鋼具備絕對優(yōu)勢。但是不銹鋼用在“超重－星艦”上的優(yōu)勢則是成熟的工業(yè)化和高性價比，是特殊環(huán)境下的特殊應用。除了“超重－星艦”之外，歷史上蘇聯(lián)的“米格”25也采用了不銹鋼油箱結(jié)構(gòu)。采用輕質(zhì)化鋁合金結(jié)構(gòu)，在高馬赫飛行條件下，空氣摩擦溫度過高，導致結(jié)構(gòu)急劇下降，速度很難突破和提升。蘇聯(lián)另辟蹊徑直接采用不銹鋼飛機，雖然其質(zhì)量過大，很難執(zhí)行高難度任務，但是特殊的時代，速度優(yōu)勢還是得以發(fā)揮，可以甩開同時代的導彈，并突破了高馬赫防熱問題。

在現(xiàn)代的運載火箭應用中，印度GSLV-MK3火箭采用了大量不銹鋼來提高火箭的強度，替代輕質(zhì)化程度高的復合材料，雖然犧牲了運載效率，但是通過火箭的數(shù)量、發(fā)射的批次和產(chǎn)能的突破來彌補了運載效率的劣勢。

“超重－星艦”采用不銹鋼貯箱的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在產(chǎn)能和工藝的需求：不銹鋼貯材料相較鋁合金，焊接受溫濕度、環(huán)境的影響較小，可戶外大棚焊接、露天安裝。近4年的研制證明了“超重－星艦”采用不銹鋼的設計理念的正確性，自2020年2月的S1到2021年的3月的S11，失穩(wěn)、爆破、蚱蜢跳、下落解體、下落爆炸合計11枚，通過1年的快速驗證，S15在2021年5月完成10km高空飛行并著陸。到目前，不但完成了“超重－星艦”的合練, 還完成了首次的飛行試驗。

不銹鋼“超重－星艦”的設計理念和技術高度繼承“獵鷹”9號，其動力從最初設計的9臺“猛禽”發(fā)動機，到24臺發(fā)動機，再到最新的33臺“猛禽”發(fā)動機，整體推力增加，通過大推力的提升解決不銹鋼的重量的問題，換來了整體運載系數(shù)的提高。

四、“超重－星艦”合練加注與泄出的問題

2023年1月，“星艦”S24和“超重”B7總共被加注了4860t的甲烷和液氧，加上箭體本身和載荷的重量，可達6000t以上，遠遠超過當年“土星”5號，成為人類有史以來最為龐大的航天器。

加注過程合計90min，總體過程順利，全箭低溫推進劑加注測試和所有的模擬發(fā)射前全流程演練測試工作都一次通過。但在泄出的過程中，全箭至少3處發(fā)生局部失穩(wěn)，“超重”的高度大約90m，整體縮短22mm。

發(fā)生箱體凹坑的原因主要有兩方面：一是大量甲烷和液氧低溫推進劑的加注導致不銹鋼發(fā)生了熱脹冷縮，4860噸位這個量級在工程應用和設計上沒有先例，熱平衡和熱交換不再是線性平衡的關系，非線性的問題突顯出來；二是貯箱內(nèi)部氣枕壓力釋放速率問題，貯箱的最優(yōu)化設計是利用內(nèi)壓平衡軸壓，兩者相減絕對值是設計貯箱的外部載荷依據(jù)，貯箱軸向受拉，以內(nèi)壓設計為主，軸壓校核為輔，貯箱軸向受壓，以軸壓失穩(wěn)作為主要的設計因素。在泄壓過程中，貯箱排氣閥打開，排氣速率應達到動態(tài)平衡，如壓力泄壓過快，導致軸壓過大，則會發(fā)生整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)，形成凹坑。

箭體發(fā)生局部失穩(wěn)，暴露了“星艦”存在的問題，證明了“合練”的成功。

五、結(jié)束語

2023年4月20日，SpaceX發(fā)射了“超重－星艦”，起飛后，6臺發(fā)動機相繼發(fā)生故障，飛行約239s后，火箭解體。失控后火箭在高空風的作用下，箭體不斷旋轉(zhuǎn)，但結(jié)構(gòu)未發(fā)生解體，證明了不銹鋼箱體的結(jié)構(gòu)強度滿足要求，加上“超重－星艦”經(jīng)歷了加注、跨聲速飛行和大動壓飛行，整個不銹鋼貯箱基本經(jīng)歷了飛行上升段的全部考核，證明了設計的合理性。