記者 | 韓沁珂

上世紀90年代，中國主力火箭——長三甲係列運載火箭采用的新型大推力氫氧發動機曾遇到大噴管焊接難題。難點之一是夾層噴管的全部焊縫長度近900米，噴管管壁僅(jin) 為(wei) 0.33毫米，焊槍多停留0.1秒就有可能把管子燒穿或者焊漏。

當時，焊接技師高鳳林憑借自己的技術和經驗，用了一個(ge) 多月，完成了大噴管的手工焊接。

火箭發動機是火箭最重要的組部件，有火箭“心髒”之稱。噴管位於(yu) 火箭發動機推力室中，負責將推進劑燃燒產(chan) 生的高溫、高壓燃氣的熱能轉化為(wei) 動能，它直接影響發動機的比衝(chong) 性能。

近年來，商業(ye) 航天加速發展，低成本低、短周期、可批量化生產(chan) 逐漸成為(wei) 追求方向。人工焊接耗時數月的生產(chan) 周期，及對專(zhuan) 家技師的高度依賴，並不適應市場對於(yu) 量產(chan) 的需求，火箭企業(ye) 開始探索機器人焊接工藝。

日前，民營航天企業(ye) 北京藍箭空間科技有限公司（下稱藍箭航天）公布了一套激光焊接夾層噴管工藝，由機器人進行激光焊接。目前，采用該工藝的“天鵲”（TQ-12）80噸發動機噴管已成功下線。

據藍箭航天工作人員介紹，TQ-12發動機噴管的直徑1米以上，采用機器人進行激光焊接，用時僅(jin) 為(wei) 兩(liang) 天。隨著後續工藝進一步成熟，焊接時間或壓縮至10小時內(nei) ，製造周期和成本僅(jin) 為(wei) 傳(chuan) 統的噴管製造工藝的1/10左右。

TQ-12是藍箭研製的首台80噸液氧甲烷發動機。其推力室設計工作於(yu) 去年3月完成，六個(ge) 月後，完成了短噴管推力室的20秒短程點火試車。今年1月，TQ-12燃氣發生器完成首輪點火試車。

噴管在大推力液體(ti) 火箭發動機工作過程中，需要承受燃氣劇烈的高溫加熱，每平方米感受到的熱量接近於(yu) 太陽表麵。人類目前掌握的最好耐高溫金屬材料也無法承受如此巨大的熱流。

因此，工程師們(men) 將噴管的結構做成夾層，讓推進劑在進入燃燒室前，先在夾層裏高速流動，帶走熱量，從(cong) 而保證噴管不被燒毀。

火箭發動機噴管示意圖 圖片來源：網絡這種再生冷卻噴管需要具有足夠的結構強度和剛度，以承受發動機軸向的推力、內(nei) 部的液壓、強烈的震動；還需要足夠輕的重量，以提高發動機推重比；以及最優(you) 的型麵精度，以使燃氣以最優(you) 的方式膨脹，獲得最高的比衝(chong) 。

在目前的工程應用中，夾層式噴管結構主要有波紋板式、銑槽式和管束式等三種。

其中，管束式結構，按管子的排列形式來分，可分為(wei) 直列式和螺旋式。藍箭航天采用的為(wei) 螺旋管束式結構，數百根管壁厚度約3毫米的合金管，以改變螺旋升角的方式被焊接在一起。

噴管橫截麵示意圖 圖片來源：網絡“我們(men) 不僅(jin) 需要考慮技術本身的成熟度，也要考慮這一工藝配套設備的供應情況。製造成本是否低廉，研製周期是否夠短，以及能否實現標準化、自動化，是否節能環保等。”藍箭航天高級工程師袁宇表示。

在對真空加壓釺焊、擴散焊、激光焊等多種工藝進行比較分析，以及對相關(guan) 設備企業(ye) 進行調研後，藍箭航天的研究團隊最終選擇了激光焊接夾層噴管工藝。

該工藝具備多種優(you) 勢，包括焊縫強度高、承壓能力強、自動化程度高、焊接速度快、能在大氣環境操作等。但在此之前，國內(nei) 尚無該技術研究基礎，國際上也無相關(guan) 型號的成熟產(chan) 品。

機器人正在焊接火箭發動機噴管 圖片來源：藍箭航天袁宇稱，在過去的一年多時間裏，研究團隊從(cong) 最基本的焊接試驗做起，完成了多項試驗。為(wei) 解決(jue) 噴管焊接過程中的變形、移位問題，多次對焊接順序和工藝參數進行調整，以尋找最優(you) 方案。“下一步，我們(men) 的工作就是多焊，積累更多數據，盡早暴露並解決(jue) 潛在問題。”袁宇表示。

火箭發動機噴管 圖片來源：藍箭航天

藍箭航天目前已與(yu) 激光裝備製造集團合作建成了整套機器人激光焊接設備。通過使用大型噴管機器人，完成全自動激光焊接。

該設備最大焊接功率8000瓦，最大可焊深度10毫米，最大可焊直徑接近2米，適應各類不鏽鋼、高溫合金、鋁合金、銅-鋼異種金屬等的焊接。