国内首个直径2.5米级重型氢氧发动机喷管在火箭院诞生

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　直径2.5米级再生冷却喷管入炉前准备工作

　　近日，火箭院所属的首都航天机械有限公司成功研制出重型氢氧发动机喷管，代表着火箭院大尺寸不锈钢部件的扩散钎焊技术能力达到世界先进水平。

　　先来聊聊喷管

　　提到火箭发动机，最大、最引人注目的零件就是巨大喷管。喷管的主要作用是将火箭推进剂燃料产生的高温、高压气体的热能转化为动能，从而让火箭获得巨大的推力。

　　虽然外表看起来就像一个超大的喇叭，但实际上，喷管无论从哪个层面来说，都是非常有挑战性的零件哦!

　　一个优秀的喷管要符合这些基本要求：

　　◆耐高温!喷管要能承受住氢氧发动机近3000℃的超高温气体，热流密度与太阳表面接近;

　　◆耐高压!发动机喷出的气体速度非常快，喷管要承受数倍于大气压的高压，喷管必须结结实实，否则万一喷管开裂，后果非常严重;

　　◆超轻薄!为了火箭的整体质量和载荷考虑，喷管越轻越薄才好。

　　
　　焊接完成后的直径2.5米级再生冷却喷管

　　再来说说这个造出了超优秀喷管的技术

　　首都航天机械有限公司研制的发动机喷管分为上、下两段，上段最大直径1.8米，下段最大直径2.5米，壁厚最薄处仅1毫米。采用内壁铣槽、外壁直接套接结构的扩散钎焊制造工艺。

　　扩散钎焊是在高温下保温一定时间使焊件产生微量形变，采用熔化的中间金属夹层，让接触部分产生原子互相扩散，形成新的扩散层，从而实现可靠连接的压焊方法。这种方法可用于需要大面积结合的具有复杂内部通道的零部件的制造，构件变形小，尺寸精度高，且不会损失原材料本身。

　　内壁!

　　首都航天机械有限公司工艺员陈志凯介绍，所谓“铣槽”就是在喷管内壁上铣出一道一道的凹槽，再通过扩散钎焊工艺将内壁焊接到外壁上，这样喷管壁内部就形成了紧密排列的中空通道。为什么要这样设计呢?我们知道喷管的材料要承受近3000℃的高温，液氢液氧的温度分别是-253℃和-183℃，这不就是现成的冷却剂么!火箭设计师让液氢在进入燃烧室之前，先在这些中空的通道里高速流动，带走燃气传给喷管的热量，保护喷管不被烧毁。燃气传给液氢热量时对液氢进行预热，这部分热量最后又被液氢带回了燃烧室，得到了再生，因此这种设计的发动机喷管又叫做“再生冷却喷管”。

　　外壁!

　　外壁型面则采取不加工直接拼焊成形的方式，尺寸大、刚性弱、型面精度控制难度大。陈志凯说，在铣槽式喷管的制造中，内外壁的结合是否牢固，是否形成封闭的冷却通道非常重要。要知道，推进剂经过火箭发动机涡轮泵的增压，喷管的夹层承受着巨大的压力，如果连接不牢，就会被巨大的液压作用力撑开，导致喷管损坏，火箭发射任务也就失败了。

　　火箭院的“火箭工匠”们厉害了，大尺寸部件扩散钎焊工艺结构设计技术

　　工装高低温装匹配

　　大尺寸部件钎焊变形控制

　　……

　　一系列技术难题得到突破

　　首都航天机械有限公司实现了扩散钎焊技术从设备到工艺的全系统研究和应用，出色地完成了重型发动机再生冷却喷管的上、下段扩散钎焊，实现了直径2.5米级再生冷却喷管的成功扩散钎焊制造。

　　该喷管的成功研制，为我国大直径重型运载火箭的研制奠定了坚实的基础。