本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院”（ID：casc_calt）

共底貯箱，顧名思義，就是兩個(gè)貯箱有一個(gè)共用的底。從外形上看，共底就像一根腰帶，系在兩個(gè)火箭貯箱之間。實(shí)際上剖開(kāi)來(lái)看，它是一個(gè)類似半球的結(jié)構(gòu)件，通過(guò)最外部的兩個(gè)腰帶將兩個(gè)貯箱連接起來(lái)。

貯箱共底

前不久，火箭院總體設(shè)計(jì)部，研制出5米直徑液氧煤油共底貯箱。試驗(yàn)結(jié)果顯示，貯箱中的共底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能有效隔離上下兩個(gè)貯箱近200度的溫差，初步具備應(yīng)用于未來(lái)新型火箭的條件。該共底貯箱研制負(fù)責(zé)人楊瑞生介紹，世界最大直徑液氧煤油共底貯箱在火箭院誕生。

兩個(gè)貯箱共用一個(gè)底的好處是什么？

降低火箭高度，讓火箭更穩(wěn)定。對(duì)于火箭而言，只有“身高”和“腰圍”的比例在合適的范圍內(nèi)，它才更結(jié)實(shí)。因?yàn)?，火箭在高空飛行時(shí)，需要抵抗很大的“高空風(fēng)”，如果火箭結(jié)構(gòu)太細(xì)長(zhǎng)，就有在高空風(fēng)中攔腰折斷的風(fēng)險(xiǎn)。

“5米直徑火箭液氧煤油共底貯箱”研制負(fù)責(zé)人楊瑞生介紹，“共底”的應(yīng)用，可以解決既要讓火箭攜帶足夠的燃料，又不讓火箭太細(xì)高的矛盾。兩個(gè)貯箱使用三個(gè)底，能優(yōu)化火箭‘長(zhǎng)徑比’，讓火箭結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

減少火箭“自重”，送更重的衛(wèi)星上天。火箭起飛和飛行時(shí)，要用很大力氣“掙脫”地球引力，才能飛上太空、將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

楊瑞生說(shuō)，在保證火箭各項(xiàng)功能的前提下，火箭“自重”越輕越好。這樣，就能攜帶更多燃料、有更大的力氣飛行。“共底”就是一個(gè)良好的解決方案，減掉了兩個(gè)箱子中間的一大塊“贅肉”，火箭能“讓”出更多起飛重量給衛(wèi)星，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)師就能給衛(wèi)星增加更多的功能，讓它在太空中完成更多的使命。

研制“共底貯箱”，難在哪里？

“共底”要既能“隔溫”又能“受力”。火箭的燃料有常溫推進(jìn)劑、低溫推進(jìn)劑等，在火箭飛行時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、管路等，都需要在合適的溫度下才能正常工作。

楊瑞生說(shuō)，兩個(gè)貯箱緊緊挨在一起，上下兩個(gè)貯箱中推進(jìn)劑的溫度相差200余度，“共底”最重要的作用之一就是隔離這個(gè)溫差。除了要隔熱外，“共底”還要承受幾種載荷：一是大溫差引起的變形不協(xié)調(diào)造成的溫度載荷；二是上面貯箱推進(jìn)劑的重量以及將貯箱中推進(jìn)劑推到發(fā)動(dòng)機(jī)中的增壓壓力；三是由火箭推力、自重、拐彎等引起的力的傳遞，這個(gè)力可以達(dá)到數(shù)百甚至千噸級(jí)，也是業(yè)界常說(shuō)的“軸向力”。而更難的就是，這幾種力在火箭飛行時(shí)將“共同發(fā)力”，設(shè)計(jì)師要處理好這種耦合關(guān)系。

廠房里的共底貯箱

為此，研制人員采用“國(guó)產(chǎn)高性能泡沫和金屬箱底”組成“夾層”結(jié)構(gòu)，通過(guò)多輪力熱耦合分析迭代設(shè)計(jì)，確定了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使共底可以承受內(nèi)外壓載荷及溫差引起的變形協(xié)調(diào)載荷；同時(shí)，創(chuàng)新性地通過(guò)多點(diǎn)獨(dú)立連接的方案，解決了5米大直徑共底夾層結(jié)構(gòu)的精確裝配、大軸壓載荷傳遞等難題，讓共底能夠承受及傳遞數(shù)百噸的載荷。

建設(shè)5米級(jí)共底貯箱生產(chǎn)工藝及保障條件

如此大直徑的共底貯箱，需要生產(chǎn)制造能力的跨越。要有更大的加工設(shè)備，確保產(chǎn)品與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合，且必須有一套成熟的加工工藝。但在此之前，我們國(guó)家只有3米直徑的共底貯箱的研制條件，從3米跨越至5米，研制難度較高。

楊瑞生介紹，大直徑共底結(jié)構(gòu)對(duì)制造工藝、設(shè)備等要求很高。因?yàn)楣驳咨舷碌壮叽绾艽?、金屬壁很薄。在生產(chǎn)時(shí)，各種零件通過(guò)焊接裝配在箱底，焊接難度巨大。為此研制團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出“單面單層變極性氬弧焊工藝”，獲取了焊接關(guān)鍵參數(shù)，克服了這一難題。

試驗(yàn)中的共底貯箱

同時(shí)，共底“隔溫”的夾層結(jié)構(gòu)采用的是復(fù)合材料，其粘接質(zhì)量直接影響共底結(jié)構(gòu)承載能力，但層層粘接的纖維布之間極容易出現(xiàn)氣泡、脫粘等問(wèn)題，為此，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出“大厚度雙曲率PMI泡沫穩(wěn)定成型以及高精度仿形加工工藝”，控制了粘接間隙，突破了大尺寸共底貯箱復(fù)合材料粘接強(qiáng)度技術(shù)難關(guān)。

在研制過(guò)程中，多家高校在夾層結(jié)構(gòu)樣件力學(xué)響應(yīng)分析、驗(yàn)證試驗(yàn)全流程仿真分析方面提供了技術(shù)支持。后續(xù)，該共底貯箱將進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)可靠性和工藝穩(wěn)定性，并開(kāi)展應(yīng)用的液氫液氧環(huán)境的適應(yīng)性試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，一大批創(chuàng)新性技術(shù)還將進(jìn)行軍民融合轉(zhuǎn)化，拉動(dòng)和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。