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焊接奇迹:航天飞机外贮箱

发布日期:2019-01-07 点击数:100

30年间,航天飞机犹如灯塔般照耀着美国航天工业。1981年到2011年期间,位于佛罗里达州的肯尼迪宇航中心共执行了135次发射任务。正是由于航天飞机的问世,无数的卫星与行星探测器才得以发射(其中还包括哈勃太空望远镜),许多重要的在轨科学试验才得以进行,国际空间站也得以建成。而这一切能够得以实现,焊接技术在航天飞机外贮箱制造中的成功应用功不可没。

航天飞机外贮箱由马丁·玛丽埃塔公司设计,并由洛克希德·马丁空间系统公司在位于路易斯安那州新奥尔良市的美国国家航空航天局(NASA)米秋德装配厂进行制造与总装。航天飞机外贮箱用于储存液氢燃料与液氧助燃剂,在航天飞机发射时为三个主引擎提供动力,是航天飞机体积最大、重量最重的部件。此外,在发射后,外贮箱随即解体坠入海洋,是航天飞机发射后唯一不回收的部件。自1981年执行首次任务以来,外贮箱的制造经历了从第一代的标准重量外贮箱到目前第三代超轻型外贮箱两次重要升级换代,以实现自身减重、增加运载载重的目标。


最初的外贮箱制造于1983年,满载燃料与助燃剂后重量达76000磅,其本体结构采用2219铝合金制造,箱体段由钨极气保焊将多块不同厚度铝合金板焊接而成。随着1982年挑战者号STS-7最后一次发射任务的结束,该类标准重量型外贮箱在执行6次发射任务后退出历史舞台。其实在此前一年,NASA米秋德装配厂已经开始生产轻型外贮箱,相比于标准重量型外贮箱,轻型外贮箱重量减少了10000磅。外贮箱的减重通过几种不同的方法实现,包括:减小了部分铝合金蒙皮的厚度,取消了液氢储箱的部分衍条;圆顶盖由原先的仅一侧进行化学铣切,改为两侧均进行化学铣切,这样不仅可以实现减重同时还可以保证强度;此外,在固体火箭助推器制造中还采用了一种强度更高、重量更轻、成本更低的新型钛合金。

新型焊接工艺也使得轻型外贮箱生产的劳动力与成本使用效率提高。1984年,马歇尔航空飞行中心在储箱制造中采用了变极性等离子弧焊工艺。洛克希德马丁公司负责外贮箱项目的副总裁,TerryHibbard提到:“在二十世纪八十年代早期,我们与NASA马歇尔航空飞行中心开发了变极性等离子弧焊工艺,并结合使用等离子弧调节电流并清理阴极的复合工艺,对2195铝合金进行了焊接。这一类轻型储箱共执行了85次航天发射任务,最后一次是在2000年,用于STS-99的发射完成使命。1993年,NASA要求洛克希德马丁公司开发一种用于外贮箱制造的新型高强轻量化材料,用以取代2219铝合金。数年研究之后,洛克希德马丁公司、雷诺兹铝业和马歇尔航空中心实验室共同研制出了Al-Li2195铝锂合金,从而使得外贮箱进一步减重7500磅。


超轻外贮箱使得航天飞机可以为国际空间站建造运送大重量部件,然而,Al-Li2195铝锂合金在应用于超轻外贮箱时出现了一些问题。 NASA和洛克希德马丁公司在新材料成形、焊接、修复的过程中遇到了一些困难。外贮箱项目前首席工程师,MyronPessin认为焊接修复是个巨大的挑战。为了给焊接修复保证更多的余量,超轻型外贮箱上的焊接区厚度不得不增加0.35英寸之多。“第二代”超轻型外贮箱在中间层推力板上采用了另外一种合金,改用这种新材料可以减轻更多的重量,但由于圆顶盖恢复使用Al2219合金,减重的效果并不明显,不过,这种新材料确实更加容易焊接,且可以大幅减少修复次数。由于外贮箱的焊接修复难度不断增大,生产成本也不断增加,NASA开始研究可替代的焊接技术,项目主管最终选择了搅拌摩擦焊工艺,相比于早期外贮箱使用的熔化弧焊工艺,其形成的焊接接头强度更高。搅拌摩擦焊的另一大优势在于焊接过程中需要控制的因素要少很多,例如,对于熔化焊,必须控制吹扫气、焊接电压、焊接电流、送丝速度、焊接速度、保护气和弧柱,但是对于搅拌摩擦焊仅需控制旋转速度、焊接速度和压力三个参数。

搅拌摩擦焊焊接时,搅拌头每分钟旋转180-300转,具体转数取决于母材厚度。首先,外力将搅拌针压入材料,随后在其持续旋转过程中,摩擦热软化搅拌针附近母材,使其产生塑性变形形成顶锻,从而实现材料间的连接。


2010年,在STS132发射任务中首次采用了搅拌摩擦焊(FSW)制造的外贮箱,其中2个液氢储箱的焊缝都采用了搅拌摩擦焊技术。STS134发射任务中,首次采用搅拌摩擦焊技术焊接外贮箱的液氧箱以及全部4个液氢箱。总之,焊接技术在航天飞机外贮箱用特定合金选材与制造工艺方法确定时起着非常关键的作用。

尽管自航天飞机2011年退役至今,NASA再无其他航天飞机,NASA宇航员从地球往返国际空间站主要依靠俄罗斯Soyuz航天飞机,但是在外贮箱制造中包括合金选材、焊接工艺、制造方法、结构设计的经验与教训将始终伴随NASA的奋斗历程。

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