摘要：目前， 以液体火箭发动机领域为代表的先进制造技术有着广阔而美好的应用前景， 大力加快了我国航天事业发展进程。主要介绍了液体火箭发动机制造技术特点及相应技术难点， 并对其未来技术发展趋势进行了展望。
关键词：液体火箭发动机； 制造技术； 航天；
Abstract:At present, the advanced manufacturing technology represented by the field of liquid rocket engines has broad and beautiful application prospects, and has vigorously promoted the development of China's aerospace industry. This paper mainly introduces the technical characteristics of liquid rocket engine manufacturing and the corresponding technical difficulties, and forecasts its future technology development trend.
Keyword:liquid rocket engine; manufacturing technology; aerospace;
液体火箭发动机是一种将液态化学推进剂作为能源的化学火箭发动机， 其主要用于运载火箭和各种航天器推进系统中[1].液体火箭发动机可根据用途、使用条件、推进剂供应方式及推进剂组元等进行分类。
根据使用条件可将液体火箭发动机分为一次启动发动机、二次重复启动发动机、多次启动发动机和多次使用发动机。根据发动机所用推进剂组元数目可将液体火箭发动机分为单组元发动机、双组元发动机和三组元发动机。大多数液体火箭发动机属于双组元发动机。另外， 还可按照推进剂沸点将发动机分为常温发动机和低温发动机， 其中常温发动机可在加注推进剂后长期进行贮存。
1 液体火箭发动机制造技术特点
液体火箭发动机主要功能是为运载火箭和各种飞行器提供动力。一种新型发动机的研制， 必须解决设计、材料、制造和试验测试等一系列技术问题。其中， 制造技术占有非常重要的地位， 它是一项涉及技术相当广泛的工作， 既包含了传统铸造、锻造、钣金、切削加工、热处理、表面处理、焊接以及装配等技术， 又包含了电火花加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、超声加工、超塑成形和特殊功能涂层等新工艺技术， 另外还涉及到尺寸测量、材料性能检测、结构强度、气密性以及无损检测等多种类别检测和试验。
为了能承载更多有效载荷， 并在太空条件下稳定工作， 发动机结构质量受到了严格限制。随着运载器和飞行器性能进一步提高， 发动机要想在太空条件下长期稳定工作， 就必须在轻质和高可靠性方面加大开发力度， 进一步增加液体火箭发动机制造技术难度， 故形成了许多新的工艺。
1.1 特殊性能新材料应用增加了制造技术难度
运载火箭在穿越大气层过程中， 力学和热学环境会发生巨大变化， 许多在常温大气环境中性能优良的材料， 进入气体稀薄的外层空间后会因为温度升高而导致液体火箭发动机发生结构失效， 因此在实际设计制造中， 制造企业大量采用了高强度钢、不锈钢和高温合金等难加工材料， 这虽然提升了发动机工作性能， 但无疑也增加了产品制造技术难度。
例如发动机结构零件采用了多种不同牌号的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和双相不锈钢， 这些材料韧性大、热导率小， 且切削加工时冷作硬化严重， 金属屑容易粘附在刀刃上， 影响生产效率。
1.2 轻质化要求增加了产品结构复杂程度
发动机所能产生的推力与其自身质量之比称为发动机的推质比。推质比越大， 发动机对火箭的有效推力就越大。不难看出， 发动机自身质量与推质比是呈反比关系的， 因此轻质化不仅是火箭对发动机的重点要求， 也是发动机设计和制造追求的重要目标。
目前， 实现发动机轻质化的技术方法主要有三种：第一， 选择比强度高的结构材料；第二， 尽可能将发动机的外形设计得紧凑一些， 减小主要结构件的结构尺寸；第三， 挖潜减重， 即在保证结构强度前提下尽量减少零件本体上的材料， 进行镂空设计和制造。无论实施哪条技术途径， 都要考虑制造技术水平的影响作用。
推力室是完成推进剂混合和燃烧以及将化学能转变为动能的组合件， 推力室头部按特定要求装配了大量燃料喷嘴和氧化剂喷嘴。对采用直流式喷注器的推力室头部来说， 为了减轻结构质量， 可先在很薄的多个圆环上分组加工数千个喷嘴；然后将圆环与加工有多道环形通道的喷注器盘装配在一起；最后采用钎焊方法将二者牢固地连接在一起。喷嘴加工精度决定了推进剂燃烧的稳定性和效率， 所以推进剂各环形内腔必须保证可靠隔离， 以防燃料和氧化剂之间出现渗漏， 引发爆炸事故。
推力室身部采用轻质化再生冷却结构， 对采用波纹板夹层冷却结构的推力室由精密成形的内壁、外壁和波纹板钎焊而成。燃料进入推力室头部之前， 先从推力室身部夹层的通道流过， 对内壁进行冷却， 保证内壁在高温、高压及高速流动燃气冲刷下不发生破坏。可见， 喷嘴和喷注器盘加工、内外壁和波纹板精密成形以及头部和身部的装配与钎焊， 都在一定程度上加大了产品结构复杂程度。
涡轮泵是一种由燃料泵、氧化剂泵和涡轮组合设计在一起的同轴高速旋转的组合件， 其结构复杂程度较高[2,3,4].为了适应流体力学性能、轴系转动零件轮廓尺寸变化、不同工作内腔之间密封结构安装以及结构减重等多方面需要， 涡轮泵壳体外形和内腔结构设计十分复杂。所以涡轮泵壳体铸件对材料力学性能、尺寸精度、金属致密性以及结构密封性提出了一系列严格要求， 需要在铸造过程中给予全面保证。
1.3 特种制造技术占有重要地位
采用特殊性能新材料的轻质化产品， 仍需具备较高的可靠性， 这导致特种制造技术在液体火箭发动机制造中得到了广泛应用[5].
液体火箭发动机特种制造技术是一项综合性概念， 主要指在铸造、锻造、焊接、热处理、表面处理、高温涂层以及电加工等特种专业工艺基础上， 结合液体火箭发动机产品特点， 形成的一种特色制造技术。
铸造是指金属在液态下成形凝固后得到铸件的一种工艺方法。铸造技术最突出的一个特点就是成形适应性好， 能制造出形状复杂的毛坯和零件。涡轮泵是液体火箭发动机的重要组件， 为了满足发动机性能和轻质化要求， 在发动机工作压力不太高情况下， 燃料泵、氧化泵壳体采用铝合金材料。由于零件对接面多、空腔多、壁厚变化大且几何形状复杂， 所以在此基础上进行热处理、无损检测、切削加工、强度和气密性检查和表面处理， 可以得到符合要求的产品。
锻造是金属压力加工的基本方法之一， 其借助外加冲击力和压力使金属产生塑性变形， 从而获得一定形状和尺寸的工件。锻造工艺的优点是可以保证金属晶粒组织细密， 有利于获得力学性能高的零件。在发动机制造过程中， 重要的受力结构部位零件有涡轮盘、转子、喷注器盘、喷嘴环和法兰盘等， 可通过切削加工、无损检测、热处理以及表面处理等方法制成产品零件。
为了降低复杂结构产品的制造难度和成本， 一般将其分割成一些相对简单的零件分别制造， 然后再装配成一个整体。在螺纹连接、铆接、胶接和焊接多种连接方案中， 焊接因其结构紧凑、接头强度高以及有利于保证密封性的优点， 成为了液体火箭发动机中的典型连接形式。一台普通的大型液体火箭发动机上通常都有数千条焊缝， 除了在发动机导管、启动器、蒸发器、降温器和涡轮盖等部件中广泛采取焊接技术外；一些大型组合件， 如推力室、燃气发生器和机架等更是选择全焊结构， 充分保证了发动机连接可靠性， 大大降低了发动机结构质量。
热处理是一种方便有效的金属强化方法。化学热处理是将热处理和化学作用结合起来， 目的是改变工件表层化学成分、组织和性能。热处理和化学热处理均属于改性技术范畴， 在发动机零部件制造过程中通常安排为一个工序， 即根据材料种类和特点， 使零件改性达到规定组织和性能要求。表面处理不仅能起到装饰作用， 还能提高材料耐磨、耐腐蚀性能及表面某种特定性能。因此， 发动机许多零部件会根据产品功能和使用要求， 进行化学镀、金属表面转化膜处理、表面喷涂和电化学处理。
近年来， 功能涂层在制造业中越来越受到重视。对于液体火箭发动机而言， 高温涂层不但能够解决稀薄大气环境和真空环境下关键受热部件可靠性问题， 还对发动机轻质化设计有着重要推动作用。因此功能涂层逐步发展成为一种独立于传统表面处理技术的新兴技术。
1.4 保证符合性要求的特色检测技术
为了确保产品固有可靠性特点， 在发动机制造过程中， 除了对零件原材料进厂、加工、组装和试验等过程进行严格控制外， 还需要对每道生产工序进行检查确认， 保证实物与技术要求相符合。在产品检验过程中， 除一般物理和功能特性采用通用常规检测手段和方法外， 还需应用特色检测技术检查发动机特殊要求的符合性， 保证产品检测覆盖性。
1.4.1 多余物控制检测技术
在产品工作系统内， 由外部进入或由内部产生的与产品规定状态无关的一切物质均被称为多余物。多余物的存在通常会给发动机工作带来灾难性后果。为了确保发动机工作高可靠性和高安全性， 发动机工作腔、管路系统以及密封部位等均不允许有多余物存在。
因此， 在产品制造过程中， 一般通过强化现场管理和量化过程记录预防多余物的存在。采取技术手段进行检查和确认是控制多余物的重要环节， 检查多余物的方法通常包括目视检查、放大镜检查、内窥镜检查、X射线透视检查、粒子度检查和转动听声检查等。为了更准确地判断多余物是否存在， 可采用小波分析和神经网络分析等先进技术， 对产品进行旋转操作， 使多余物产生滑移或撞击， 并对产生的各种音频信号进行收集、分析、比较和处理， 最终确定有无多余物， 并初步确定多余物所在的位置范围。
1.4.2 推力室身部夹层钎焊缝质量检测技术
推力室身部一般制造成具有再生冷却通道的波纹板夹层结构或内壁沟槽夹层结构。为了保证内、外壁之间连接强度及结构刚度， 多采用钎焊工艺将其牢固地连接成整体。身部钎焊成整体后， 钎焊缝处于封闭的夹层内， 无法通过外观检查直观判断焊接质量， 一般采用X射线拍照和影像分析法进行间接判断。
X射线检查需要工件有一定的厚度差和密度差， 因此这种间接判断存在一定不确定度。激光全息检测技术能更准确地判断薄壁结构的钎焊缝质量， 为推力室身部钎焊缝质量检验提供了更有效的技术支持。
1.4.3 头部喷注器小孔检测技术
喷注器是推力室的关键部件， 其功能是将燃料和氧化剂按照一定比例喷入燃烧室， 通过撞击、雾化和混合， 进行迅速和充分燃烧。在直流式喷注器结构中， 为实现上述功能， 喷注器环上分别制有多组不同直径的成对斜孔， 成对斜孔的中心线应在规定位置相交。测量斜孔中心线相交位置方法通常是在孔中插入测量销棒进行接触式测量， 或用三坐标测量机进行测量。当孔径较小时， 接触式测量受销棒精度和测量杆可操作性限制， 此时测量精度会受到较大影响， 需要采用光学等先进检测技术进行测量。
2 液体火箭发动机未来先进制造技术及展望
2.1 表面工程技术的发展趋势
根据运载火箭的飞行工作环境， 为确保液体火箭发动机不受环境温度、振动、真空条件及宇宙辐射影响， 并在高温、高压、高速与振动等恶劣工况条件下正常稳定工作， 对发动机重要零部件表面的耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳以及防辐射等性能提出了更高要求。为了适应航天产品特殊要求， 需要加大表面工程技术改进力度。
在单一表面工程技术发展的同时， 复合表面工程技术取得了重大进展， 如热喷涂和激光重熔复合、热喷涂与电刷镀复合、化学热处理与电镀复合、表面涂覆强化与喷丸强化复合、镀锌式磷化与有机漆复合、渗碳与钛沉积复合以及物理和化学相沉积等技术[6,7].
随着复合表面工程技术发展， 梯度涂层技术将会有较大的突破。另外， 利用纳米技术也可提高材料表面性能， 并赋予其全新功能。在继承传统表面工程技术基础上， 开发新技术， 将大力推动绿色环保再制造工程向功能化与智能化技术方向转变。
2.2 电加工等非传统加工技术的发展趋势
电加工是一类非传统加工技术， 该技术可利用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能对材料进行加工， 从而实现材料变形、性能改变以及镀覆等功能[8].
随着科学技术进步， 非传统加工将向多功能、微细化、精密化和智能化方向发展， 力求达到标准化、系列化与模块化的加工目的。同时， 非传统加工向复合加工方向发展， 开发出了电解电火花加工、电解电弧加工以及放电诱导烧蚀加工等一系列新技术。除此以外， 非传统加工依然会向绿色、环保可持续发展转化， 微细、纳米加工技术等成为主流技术， 并向着高质量、低消耗与无公害方向发展。
2.3 热成形技术发展趋势
科学技术的进步， 推动了新能源、新材料、新设备及信息自动化等技术的发展， 提升了成形技术， 主要体现在以下两方面。
2.3.1 铸造技术方面
随着铸造高压、射压造型、气冲造型以及消失模造型等技术不断开发和使用， 铸造技术手段正在向CAD、CAM、凝固过程数值模拟、柔性制造系统及铸造过程自动检测方向不断转变。由于航天产品特殊性能要求， 具有特殊的电磁学性能、热学性能和耐辐射性能的材料将不断被开发和应用。
增材制造是一种突破传统的先进加工模式， 通常称为3D打印技术。该技术在铸造工程上的投入使用， 可以更加快速地制造出树脂熔模或陶瓷型壳， 简化了熔模铸造工序， 缩短了生产周期。
2.3.2 锻造技术方面
通过改变应力状态、降低流动应力以及减少接触面等途径， 可以开发出更多省力的工艺及设备。如机器人运动功能。另外， 采取等温锻造和粉末锻造技术可提高成形精度；将精密模锻、液态模锻和超塑成形等技术与CAD、CAE、CAM技术进行有力结合， 可推动塑性成形技术发展， 实现产品工艺材料一体化。
3 结论
未来， 为了适应航天运载器发展需求， 以液体火箭发动机领域为代表的先进制造技术将会以摧枯拉朽之势推进动力技术、先进材料与结构技术、先进信息和通信电子技术以及先进制造技术为代表的一批基础和关键技术发展， 从而加快我国航天事业发展速度。
参考文献
[1]伍赛特。核聚变火箭发动机的前景展望研究[J].节能， 2018, （11） :114-116.
[2]伍赛特。舰用燃气轮机动力装置的前景展望[J].现代制造技术与装备， 2018, （12） :204-206.
[3]伍赛特。燃气轮机应用于车用动力装置的可行性分析研究[J].交通节能与环保， 2019, （1） :13-15.
[4]伍赛特。燃气轮机应用于坦克动力装置的前景展望[J].机电产品开发与创新， 2018, （6） :54-56.
[5]丁新玲。液体火箭发动机制造技术发展现状[J].航天制造技术， 2005, （6） :13-17.
[6]徐滨士， 刘世参， 史佩京。再制造工程和表面工程对循环经济贡献分析[J].中国表面工程， 2006, （1） :1-6.
[7]龚宝明。金属超声表面滚压加工纳米化研究[D].天津：天津大学， 2008.
[8]魏超。液体火箭发动机特种制造技术[M].北京：中国宇航出版社， 2014.
