豎焊、直接成型、無(wú)需在線定位系統(tǒng)……2月25日，藍(lán)箭航天發(fā)布工業(yè)激光焊接機(jī)器人焊接火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的視頻，其自主研發(fā)的“天鵲”（TQ-12）80噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，由機(jī)器人進(jìn)行激光焊接一次成功，目前已經(jīng)順利下線。
“以前熟練的焊接技術(shù)人員兩個(gè)人同時(shí)焊接需要一個(gè)月時(shí)間，現(xiàn)在用機(jī)器人焊接兩天時(shí)間就能完成。”藍(lán)箭航天創(chuàng)始人、CEO張昌武介紹，80噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管直徑約為1米以上，機(jī)器人全自動(dòng)激光焊接，可大幅度降低噴管制造成本，縮短制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量化制造。
噴管像“蜂巢”，能抗“水深火熱”
火箭發(fā)射和飛行時(shí)，經(jīng)過噴管的燃?xì)鉁囟仍?000—3000攝氏度之間。“雖然溫度沒有太陽(yáng)高，但是每平方米感受到的熱量與太陽(yáng)表面非常接近。”業(yè)內(nèi)專家表示，人類目前掌握的耐高溫金屬材料，均無(wú)法承受。
為此，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上使用推進(jìn)劑對(duì)噴管進(jìn)行冷卻。通過將噴管的結(jié)構(gòu)做成夾層，讓推進(jìn)劑在進(jìn)入燃燒室之前，先在夾層里“轉(zhuǎn)一圈”，帶走熱量，保證噴管不被燒毀。
夾層式噴管的橫斷面更像一個(gè)蜂巢板，中間流淌的是“冰”，表面則要耐受太陽(yáng)般的熱度。“水深火熱”的模式對(duì)夾層間的“牢固度”提出了巨大的挑戰(zhàn)。
工程上保證“牢固度”的方法是依靠焊接，讓構(gòu)成夾層的內(nèi)外“兩體”合為“一體”，但是噴管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形龐大、且焊接變形控制要求高，一點(diǎn)點(diǎn)裂縫或者氣泡就可以造成火箭在飛行過程中噴管損毀，因此對(duì)焊接質(zhì)量提出了非常高的要求。
機(jī)器人“出手”，提質(zhì)增效
除了溫度的驟變，噴管還要經(jīng)受各種力的“蹂躪”——軸向的推力、內(nèi)部的液壓、強(qiáng)烈的震動(dòng)……因此要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，但航天部件又要盡可能輕，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。因此噴管在輕和薄的同時(shí)，又要?jiǎng)偤晚g。
焊接壁管往往小于1毫米，且要克服焊接造成的變形，對(duì)于人工來(lái)說要求相當(dāng)苛刻。很多航天“焊將”為了練得合格的技術(shù)，甚至手綁沙袋長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練。
“為了實(shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化制造，藍(lán)箭航天‘天鵲’80噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)噴管選擇了機(jī)器人激光焊接。一年多時(shí)間里，我們的工程師不斷試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新，同時(shí)建成了噴管機(jī)器人激光自動(dòng)化焊接設(shè)備。”張昌武介紹，機(jī)器人“焊將”無(wú)需使用內(nèi)壁肋條X光在線定位系統(tǒng)，大幅度降低了設(shè)備的復(fù)雜性和成本，而且形變可控、可以直接成型。
由于其柔性化程度高，可達(dá)面積大，機(jī)器人“焊將”還可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)其他零組件焊接。張昌武說，隨著后續(xù)工藝的進(jìn)一步成熟，焊接時(shí)間有望壓縮至10小時(shí)以內(nèi)，制造周期和成本僅為螺旋管束噴管的1/10左右。整套工藝、工裝方案已于2018年全面申報(bào)發(fā)明專利。(記者 張佳星)