造出這個關鍵部件，距離藍箭80噸液氧甲烷發動機量產真的很近了
最近，中國民營運載火箭領跑者——藍箭航天宣布一條大新聞，「天鵲」（TQ-12）80噸發動機噴管下線了。引起圈內外人士廣泛關注。
這個噴管之所以引人關注，是因為它採用了完全自主創新的激光焊夾層噴管工藝，使產品周期和產品成本都大幅度縮短和降低。這也是我國首個運用了激光焊夾層噴管工藝的火箭發動機噴管。
這個噴管直徑1.02m，焊接僅用時2天；隨著工藝的進一步成熟，具有壓縮至10小時以內的潛力。噴管的成本僅為螺旋管束噴管的1/10左右。整套工藝方案、工裝已於2018年全面申報發明專利。那麼，這個「激光焊夾層噴管工藝」究竟是一種什麼技術呢？
要了解它，首先你要知道——
什麼是噴管？
噴管其實大家都不會陌生，每次電視直播航天發射時候，火箭點火時那個噴出火焰的喇叭形的裝置，就是噴管。它是火箭發動機推力室的一個重要裝置。負責將推進劑燃燒產生的高溫、高壓燃氣的熱能轉化為動能。大家平時看到的「大喇叭」其實是它的後半部分，噴管的前半部是由大變小向中間收縮至一個窄喉，也就是倒著的「小喇叭」。窄喉之後又由小變大向外擴張至出口，也就是我們看到的「大喇叭」。箭體中的氣體受高壓流入噴嘴的前半部，穿過窄喉後由後半部噴出。這一結構可使氣流的速度因噴截面積的變化而變化，燃氣通過喉部後，在噴管中進一步的膨脹、加速，馬赫數從1增加至4左右，噴管出口處的燃氣噴射速度高達3500m/s以上，以獲得巨大的推力。由於它是瑞典人拉瓦爾發明的，因此這種「喇叭形」的噴管被稱為"拉瓦爾噴管"。可以說，噴管是火箭發動機比沖性能的保證。
「大喇叭」原來是夾心巧克力
噴管是典型的大直徑、薄壁零件，大推力液體火箭發動機在工作時，噴管需要承受燃氣劇烈的高溫加熱，燃氣溫度在1000~3000攝氏度之間，擴張段表面熱流密度在4~20MW/m2之間，與太陽表面的熱流密度接近。即使是人類目前掌握的最好的耐高溫金屬材料，也無法承受如此巨大的熱流。因此在液體火箭發動機上，一般使用推進劑來對噴管進行冷卻。具體方式就是將噴管的結構做成夾層的，讓推進劑在進入燃燒室之前，先在夾層里高速流動，帶走燃氣傳給噴管的熱量，保證噴管不被燒毀。簡單理解，就像是一塊巧克力裡面包著冰，即使外邊溫度已經達到了熔點，巧克力也沒那麼容易化。
製造「夾心」不簡單
對液體火箭發動機再生冷卻噴管，既要求其有足夠的結構強度、剛度，以承受軸向的推力、內部的液壓、強烈的震動；又要求其重量儘可能輕，以提高發動機推重比。同時，噴管的擴張型面精度還應與設計理論型面接近（如最大推力型面），以使燃氣以最優的方式膨脹，獲得最高的比沖。因此，再生冷卻夾層式噴管的製造，一直以來都是液體火箭發動機生產中的難題。
目前，在工程應用中，夾層式噴管結構，一般有波紋板式、銑槽式和管束式等三種。波紋板式夾層噴管是在噴管的內壁和外壁之間加入一圈一圈的波紋板，波紋板的「波峰」「波谷」分別於內外壁連接。這種噴管在我國的肼類燃料發動機上應用較多。
銑槽式噴管結構由噴管內壁和外壁組成，在鍾型的內壁上，以銑削的方式加工出幾百個沿軸向方向的凹槽，槽與槽之間保留的部分稱為「肋」。通過特殊的工藝，將幾百個肋與噴管外壁連接起來，形成幾百個封閉的流動通道的噴管夾層結構。高壓的推進劑在這些封閉的流動通道內流動，由幾百個肋來承受內外壁之間的液壓作用力，保證噴管不被撐開。我國的液氧煤油高壓補燃發動機的再生冷卻噴管使得就是用銑槽式結構。
管束式噴管，按管子的排列形式來分，可以分為直列式和螺旋式。直列管束噴管曾在美國的液體火箭發動機上得到廣泛應用，著名的「土星5號」登月火箭的F-1發動機就是直列管束式再生冷卻噴管。但是直列式管束噴管所使用的變截面管成型工藝、管束釺焊工藝很複雜，管間焊縫無法承受大於10MPa以上的壓強，因此進入20世紀90年代以後，世界範圍內新研製的液體火箭發動機均無採用直列管束噴管的案例，該工藝技術已經被淘汰。
而螺旋管束噴管，是採用數百根方形等截面的高溫合金薄壁管（管壁僅有0.3mm）通過改變螺旋升角的方式拼成，採用手工氬弧焊或機器人將管子與管子的拼接縫焊接在一起。這種噴管具有質量輕、剛性好、使用壽命長等優點，缺點是管子成型工藝複雜、焊接難度大、價格高昂。我國在20世紀80年代對螺旋管束噴管技術進行攻關並獲得成功，目前主要應用在液氧液氫發動機上。
銑槽式噴管連不牢？焊它！
銑槽式噴管的製造流程中，最關鍵的是內外壁的結合工藝，即內壁的肋與何種方式與外壁處處均形成可靠的連接，以形成封閉的冷卻通道。由於推進劑經過液體火箭發動機渦輪泵的增壓，其壓強往往達到幾十至幾百個大氣壓，遠遠高於噴管內部燃氣的壓強（燃氣壓力僅有0.2~10個大氣壓），噴管的夾層承受著巨大的液壓作用力，如果夾層的內層與外層沒有牢牢的連接，就會被巨大的液壓作用力撐開，導致噴管結構破壞，火箭飛行失敗。而連接他們的方式，最主要的就是——焊接。
在傳統工藝中，一般以真空加壓釺焊工藝來製造銑槽式噴管。這種工藝通過衝壓、旋壓、銑削、電鍍、加壓釺焊等工序進行製造。
這種工藝由前蘇聯於20世紀50年代發明，具有工藝成熟、焊接效率高、焊縫均勻、密實，無泄漏、結合強度高等優點，是前蘇聯/俄羅斯、中國的的液體火箭發動機噴管主流製造工藝。但是，該套工藝對於焊接設備、工藝隊伍、資金投入、工藝開發周期等都有非常苛刻的要求，更適用於研發資金、工藝隊伍雄厚的大型國營航天集團。
激光焊 降成本的好方式
從1996年開始，瑞典Volvo航天公司開始研發一種低成本、高可靠的銑槽式噴管製造新技術-激光焊接夾套式噴管技術。其噴管的截面結構與傳統的銑槽式噴管一致，只是在內外壁的連接方式上，採用了高功率的激光從外面將外壁和內壁的肋沿噴管縱向焊接至一起的方式。
通過十年的攻關，他們通過開發實時的X射線焊縫跟蹤系統等一系列技術，解決了這項工藝的兩大難題：一是精確定位外壁下被遮擋的肋；二是控制噴管結構的變形，以保證焊接工藝參數（間隙、偏移）在要求的範圍內。Volvo曾經為美國預研型號RL-60發動機、歐洲預研型號Vulcain X發動機生產了噴管樣件。但是由於歐空局近十年來液體火箭發動機項目寥寥無幾，該技術尚未在火箭發動機正式型號上使用。
這種技術與真空加壓釺焊技術相比：
- 焊縫強度高，承壓能力強，產品可靠性高；
- 全自動焊接，對人的依賴小，產品一致性好；
- 無電鍍、無煙霧、無輻射，對環境影響小；
- 焊接速度快，便於批量製造，生產效率高；
- 一台噴管耗電幾十度，能耗小，焊接成本低；
- 無需特殊條件，大氣環境操作，可焊工件大。
激光焊≠激光焊
激光焊接夾層噴管技術所具有的的優點，使之成為商業航天企業最優的噴管製造工藝方案。我們的「天鵲」（TQ-12）80噸液氧甲烷發動機噴管的製造工藝就採用了激光焊，但是，藍箭的激光焊工藝已經和瑞典Volvo的技術有所不同。一年多時間裡，我們的工程師不斷試驗成功實現了自主創新，與Volvo方案的相比有如下不同：
- 無需使用內壁肋條X光在線定位系統，大幅度降低了設備的複雜性和成本；
- 噴管型面是直接成型，無需漲型，Volvo的方案焊接後需將直錐漲形至最終型面。
- 噴管在豎直狀態下焊接，操作方便，產品變形小；
- 使用大型機器人來焊接，柔性化程度高，可達面積大，兼顧發動機其他零組件焊接。
目前，我們定製的機器人激光焊接工作站整套設備最大焊接功率8000W，最大可焊深度10mm，最大可焊直徑接近2m的噴管，適應各類不鏽鋼、高溫合金、銅合金、鋁合金、銅-鋼異種金屬、高溫合金-不鏽鋼異種金屬焊接，滿足未來二級發動機、上面級發動機大面積比噴管焊接需求，同時可以為國營航天型號、科研院所提供快響應的焊接服務。
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本文原載LANDSPACE藍箭空間科技
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