航天飞行器金属结构的制造工艺及检验方法研究

耿雪峰

摘 要：我国航天技术通过半个世纪的发展，已经迈向了世界。人们已经意识到航天飞行器在航天技术中发挥了重要作用，并且对其进行了积极的研究。在空间开发中航天飞行器发挥了主要作用，其已经成为航天高技术研究的重点。在这样的情况下，对航天飞行器金属结构的制造工艺和检测方法的研究具有重要意义。该文主要分析了航天飞行器的工艺特点和发展，飞行器结构件的数控加工技术，飞行器结构强度可靠性检验。

关键词：航天飞行器 金属结构 制造工艺 检测

中图分类号：TM571.61 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0101-03

1 航天飞行器的发展和工艺特点

我国航天飞行器制造技术在迅速发展的同时，对加工飞行器结构零件要求也迅速提升，特别是对表面零件质量、加工零件的精度都产生了较高的要求。当前很多发达国家都在朝着高精度、高效率和高柔性的方向发展制造技术，并且已经大量应用铣削机床，科学研究了飞行器制造特点以及所采用的工艺。

1.1 航天飞行器的工艺特点

1.1.1 满足飞行器重量轻的要求

航天飞行器功能的一个关键指标就是重量轻。有效提升飞行器的功能以及节省发射总体成本的就是使飞行器结构重量降低。例如指挥舱，假如可以减轻30%的重量则可以多载仪器设备为904kg，或者为宇航员提供更多的工作便利。针对使用了100次的航天飞机而言，重量每减轻1kg，就有90美元可以节约下来。为了使飞行器重量减轻，将新型结构材料成功应用在飞行器的结构设计中，从而促进了新的工艺特点的产生。例如，金属复合材料有极小的比重，普遍在1～2之间。所以，目前的金属结构的飞行器已被金属复合材料所取代，并得到了广泛的应用。

1.1.2 满足飞行器机械性能的要求

为了有效提升飞行器结构自然频率与结构的抗压稳定强度；需要尽量提高材料的弹性模量。为了适应低温与高温条件下的强度需求，并积极增加有效载荷，应使材料的比强度尽量增加。为满足飞行器高强度、高模量的需求，飞行器采用了更多的钨、钼等难熔合金以及钛合金，进一步形成了创新的工艺特点。

例如广泛应用的钛合金，其本身的特点通过加工切削、成形、热处理、焊接全部体现了出来。

成形特点：通常需要利用加热成形。这是因为在室温下钛不仅不容易成形，而且与钢、镁相比，还有较差的性能。原因在于：由于强度比较高，冲压压力要求很高；塑性性能较差，塑性变形范围很小，难以控制；弹性变形范围较大，回弹大，需要的形状和尺寸很难达到；有非常敏感的表面缺陷，极易形成裂缝。

加工切削特点：切割的速度通常情况下都较低，进给量有较大的要求，有适当的切割深度，导致刀刃与表面硬化层脱离，在切割过程中不会中断进给操作；并且能够选择正确的道具几何形状和材料。

焊接特点：高温状态下钛容易遭受空气的污染，且有粗大的晶粒，很快就被冷却，易导致脆性，这些特点都使焊接质量大大的降低了。通常来说，φ合金焊接功能要比φ+β合金功能好，况且β合金作为熔焊也是不合适的。因此，通常在焊接过程中全部采用惰性气体来保护钛合金，防止与空气的接触。焊后作为真空退火从而使应力消除。

热处理特点：在加工钛合金过程中及之后，时常作为各类热处理，以便有效改善机械功能和工艺性能。具体包含了应力消除退火的热处理，再结晶退火以及提升塑性；时效和淬火处理，有效强化合金。

1.1.3 满足飞行器物理性能的要求

飞行器工艺中需要解决的一个主要问题是飞行器结构件的尺寸稳定性问题。如热膨胀性能，针对飞行器高微波天线反射器结构，尺寸精度是最基本的原则。在空间温度交变的情況下，需要保证稳定的天线尺寸，这是问题的一个关键所在。如针对航天相机的镜筒结构件，为了使镜筒结构件和光学镜头玻璃有效组合而不形成应力，则需要拥有不同材料的光学镜头与镜筒的热膨胀系数要相近。除复合材料外，钛合金的热膨胀系数与光学镜头玻璃的热膨胀系数近似，这就需要在整个加工过程中确保稳定的钛合金尺寸稳定性。航天飞行器物理功能使制造飞行器工艺形成了微米数量级特点。另外，比热功能、导电功能、导热功能等对飞行器也产生了对应的要求。

1.1.4 满足飞行器空间性能的要求

一系列部件组成了航天飞行器，这些部件只有温度适当的条件下才能稳定地工作。飞行器的温度在空间要历经从月球阴影中低于绝对零度，到太阳直射下达到1万多度的飞行温度环境，有长达几天至几年的工作时长。对此，构建航天飞行器的温度平衡系统是势在必行的。这也是航天飞行器独具特色的新系统，也称温控系统。从设计上分析温控系统包含了被动和主动温度控制。从工艺上分析，具体是涂层工艺需要符合温度设计要求。为了将一个适当的涂层提供给航天飞行器，这样就促使了涂层一定具有特殊的光电学特点，同时必须在空间环境中维持这一特点。

未涂的金属表面：为使表面辐射特点稳定且重复，需要对表面进行处理，一般采用的处理方法时抛光与喷砂。

涂漆技术：这类涂层技术热辐射性质具有较大的可控范围，成本低廉工艺简便，因此具有广泛的应用范围。

电化学涂层工艺：其原理是对电化学积极应用，改变了金属表面结构，或者镀上所需的金属。

沉积涂层蒸发工艺：具体是指将金属或电介质在真空中蒸发，并且使金属或电介质膜在被涂表面进一步沉积和形成，最终获得所需的温控表面。

自控涂层工艺：具体是指该涂层表面提高表面温度时，相应提升了反射率。这一自控涂层工艺拥有不变的单色辐射性质的自控涂。

1.1.5 满足飞行器高精度要求

通过自旋稳定积极控制通信卫星在空间运行姿态，实现同步定点的目的，卫星质量参数特性按照测轨跟踪的高精度的严格要求被限制在某一精度测试范围内。如在零点零几度的高精度范围内充分保证何轴线及其惯性主轴之间的夹角，最终实现在空间中限制其进运，进一步形成稳定的姿态。在这一工艺上怎样实行是一个技术问题。所以，测试星体质量特性的动平衡机需要较小的噪声，以便得到设备的高敏感度。卫星的刚度差异，强度横向较低，促使其形成了很低的自旋转速，一定提升动平衡对系统进行支持的刚度，导致弹性系统的频率超过三倍以上的卫星转速测试，展现出卫星更低自旋转速的特点。这样航天飞行器特有的超低转速、超低频、高精度宇航动平衡机就出现了。

1.1.6 满足飞行器可靠性的要求

除利用高可靠零件形成的电子元件的高可靠工艺外，从整体结构来看，最关键的是保证控制系统执行操作的高可靠密封性。对于工艺来讲，除了需要创造一个清洁的环境以外，焊接工艺与清洗工艺是确保系统高可靠性的重要因素。由于管路的所有接头，包含要求一次性焊成焊接接头，严格禁止出现切断重焊问题，进而防止硬颗粒进入系统确保整体的密封性。特别是针对采用的不脱装的管路系统，在整体情况下实施焊接，由于不会遭遇空间位置的约束，这一焊接工作非常困难。所以，需要利用先进的可以保证一次成功的焊接新技术，以及选择科学的焊接参数。例如利用全面焊接、高频感应钎焊等新技术积极焊接钛合金管路。而电子束焊接等一些创新工艺，虽然比较先进，但是由于飞行器的特殊情况而无法采用。

1.1.7 满足飞行器寿命较长的要求

为了保证飞行器有较长的使用寿命，需在-20℃到+50℃使用范围内设计具有密封要求的窗门结构和发挥基准功能的大尺寸薄壁结构件，在几年之内有效保证尺寸的稳定性。需要采用合理的稳定处理技术。当前我国在工序间利用两次冷水处理铝合金薄壁大尺寸框件，通过一定时期的实测说明这一精度几乎并没有发生改变，但是对长期工作之后空间尺寸稳定性的研究还缺乏验证数据。对于温控涂层技术来讲，需要思考空间环境长期影响涂层性能的情況，需要有效提高材料与工艺的稳定性。

1.2 航天飞行器工艺的发展

1.2.1 应用与发展复合材料工艺

由于广播卫星的能源要求，需要采用抛物面的天线及太阳能帆板结构，其重点就在于积极突破复合材料工艺。这就要对材料的固化规律进行掌握，通过各种方式积极确定工艺参数。加强模具研究。

1.2.2 应用与发展不同的材料

通过不同结构的部件模具形成，加快对数控缠绕设备研制，使成形质量得到保证。

胶接工艺。随着逐渐应用的复合材料，非金属材料和金属材料大量开始应用胶接工艺。这一技术的关键是选择最好的粘结剂，提升胶接功能及科学的工艺参数；积极组织胶接使用时间试验，提供大量参考数据来延长卫星寿命。

1.2.3 应用与发展数控技术

联系飞行器的技术特点，卫星结构的密封特点提出了加工机械的严格要求。只有利用数控技术才能加工双曲面密封窗口和门盖、高精度薄壁复杂的结构件。并且数控机床基础近些年来迅速发展，价格不断降低，已经成功开启了数控技术的应用时代。

1.2.4 应用与发展热成形工艺

由于广泛应用的钛合金与难溶金属，促使必须积极发展热成形工艺。目前的重点是钛合金吹胀成形与超塑成形。具体是对成形中的控制变薄量和选择设计模具积极突破，并且形成1∶1结构件。

1.2.5 应用与发展温控涂层工艺

迫切需要掌握的重点是对复杂构件的镀金工艺积极稳定；金属复合材料的涂层工艺；以及为研究新飞行器开展各种需要的涂层新工艺并且在生产中运用。

1.2.6 应用与发展焊接工艺

重点解决在整体情况下飞行器自控执行结构管路系统的焊接方式；全位置的焊接技术参数及其设备的稳定程度；在钛合金管路焊接中运用高频感应钎焊；同时积极研究新型焊接方法。

1.2.7 应用与发展记忆合金工艺

对于飞行器来说，记忆合金具有很好的发展前景。特别是在自动系统机构的管路中可以通过记忆合金接头代替焊接接头以及螺纹连接，进一步对管路焊接与螺纹焊接无法掌控的微观多余物有效改善，也有利于极强连接的可靠性。同时对于几米甚至几十米的大型天线来讲，其更加突出了优越性。因为记忆合金能够制作成折叠式的天线，只有当卫星进入轨道以后，太让能积极照射天线才能够时期恢复原来的工作尺寸。当前在理解记忆合金的前提下，对工艺方法积极探索，明确工艺参数。

2 飞行器结构件的数控加工技术

2.1 飞行器结构零件的特点

2.1.1 航天飞行器机构件

组成机体骨架与气动外形的主要部分是飞行器结构件，它们的品种繁多、形状复杂、材料多种多样。与普通的机械零件相比，其加工难度相当的大，且具有较低的制造水平。在飞行器产品中，数控加工结构件在零件加工过程中占有极大的比例，在新型航天飞行器中，超过70%属于数控加工件。这些加工构件的特点是数量多、技术难、加工时间长。

2.1.2 材料特点

材料不仅是航天飞行器制造的物质基础，还是航天飞行器达到人们预期的三维技术功能、使用时间和可靠性的技术基础。高强、高可靠、轻质是飞行器构件材料的特点。复杂的系统、恶劣的使用条件、密集的高科技等是航天飞行器构件的特点，这就促使其材料要突出下列特点。

（1）品种和类型较多。新一代的航天飞行器由于多会考虑安全与多用途，使用的新材料也逐渐多样化。

（2）航天飞行器构件材料的主要特点为高的比强度和比刚度，减轻结构重量能够加强飞行器的运载能力，提升机动性。因此，先进的高强度复合材料获得了更加广泛的运用。

（3）高温合金是航天飞行器的主要组成部分，尤其是发动机材料，随着发动机推重比的不断提高，也逐渐提高了涡轮前温度，对材料的耐温要求迅速提升。

（4）品质要求极高。作为一种反复运行产品，飞行器在规定的使用时间内，提出了更加严格的可靠性、安全性的要求。

（5）抗疲劳性能是飞行器结构件材料的另一重要特点。大量实践证明，在飞行器失效案例中，超过80%是各种形式的疲劳造成的。

2.2 数控加工典型工艺的应用

2.2.1 典型数控加工工艺

作为组成工艺标准化的重要内容，典型数控加工工艺是在分类零件的基础上有效统一工艺，对比较昂贵的材料特别合适，且对场合的要求也较高。对于那些产品品种比较单一的，有极其相似的产品类型，很多零件的相似度也较高，这对于更新产品速度较慢的企业来讲，研究典型数控加工工艺更有利于生产应用。

典型数控加工工艺是按照零件工艺特点实行分类编组，对同组零件的工艺过程和加工方式进行统一。典型数控加工不单单是对某个零件进行研究，还要寻找结构相似的一组零件或零件的制造工艺上的共同特点：是按照产品要求，综合企业真实情况，利用科学先进的工艺方式，并且采取技术文字的方式进行固定，对具体文件工艺的制定做进一步的指导，这也是典型数控加工工艺的主要工作。

在分类零件的基础上，实现了典型数控加工工艺的统一化，组内加工各个零件的工艺被统一的工艺所取代，可解决不同情况时工艺程序中统一工艺装备，进一步形成工艺标准化。

2.2.2 应用实例

图1是典型的单面形框，是飞行器的重要承力构件。零件上产生了减轻槽、定位孔以及外形面等。

接下来对比一般工艺加工与典型工艺加工。

一般加工工艺：领料、下料、基准面A铣工、基准面B铣工、数铣、零件装夹、精粗铣、钳工、检验半成品、处理表面、检验成品。

典型数控加工工艺：在数控加工过程中，按照设计工艺方案的专业铣夹，选择五坐标数控铣床，利用一次装夹、一道工序形成粗精加工整个零件。

一般的加工以与数控加工工艺存在着较大的差别，加工承力构件差别很大，典型数控加工的效率相当于一般加工效率的1.5倍。

2.2.3 选择切削参数

在数控加工航天飞行器构件过程中，正确选择切削参数对于确保数控加工质量、提高加工效率发挥了巨大作用。

（1）选择切削参数的原则。第一，选择科学的NC铣削用量，必须综合科学的刀具耐用性以及磨钝标准。在冷却状态良好的情况下，精切顺铣时，可使刀具耐用性适度增加，停机换刀所需的时间缩短，提升工作效率。

第二，由于飞行器构件特点形成的限制，铣削深度有很小的可宽度可选性，所以从考虑每齿铣削速度和给进量方面来选择切削用量。通常选择粗加工用量依照的是单件工序最大生产率，精铣用量由于加工要求的限制，可以选择单件经济耐用度设计用量。

（2）选择切削深度。工序加工余量确定之后，切削深度的选择就很容易了，可按切削深度与尺寸精度级别之间的关系，明确各个精度级别相应的切削深度。在对比原有的加工余量数值，假如其在对应的范围内，使加工余量与切削深度相同，相反的就分步切除。在机床工件与道具刚度合理范围内，切削深度相当于加工余量，这也是提升生产效率的重要方式。为使加工零件的精度及表面粗糙程度得到保证，一般会精加工预留的一定余量。

（3）选择切削速度。切削深度也是提升生产效率的主要方式，其与刀具耐用程度的关系十分紧密。随着切削速度的不算增加刀具耐用程度迅速降低，因此刀具耐用程度决定了选择切削速度。此外切削速度和加工材料的关系也十分紧密。

（4）选择进给量。工艺系统刚度、切削力大小和刀具尺寸是选择粗加工进给量需要考虑的因素。因此，确定进给量，从而不会因切削力太大而损坏机床、刀具。切削力导致工件的挠度不会超出工件允许的精度数值，不至于形成较大的表面粗糙度数值。在半精加工与精加工过程中，根据粗糙度的相关要求，联系刀尖圆弧半径、切削速度、工件材料等进给量的选择。在生产加工过程中选择进给量通过以下方式实现：其一是进行大量的实验，构建切削数据库，必要时最好的切削用量数值可以从库中查找到。一些工业化国家在这一方法上的利用较为先进，但是却产生了较大的投资工作强度；其二是联系具体公式实施计算，综合各个因素整体考虑进给量，突出了极强的实践性与经验性，关系到非常多的因素，无法形成一个完整的公式，因此很少应用这一方法。

（5）切削宽度。通常切削宽度和刀具直径成正比，和切削深度则成反比。一般经济型数控加工取值范围是0.6～0.9d。

（6）进给速度。按照加工零件的精度与表面粗糙要求、刀具和工件材料等选择进给速度。生产效率也可以通过增加进给速度来有效提升。当表面粗糙度没有较高的加工要求时，选择进给速度较大，在加工程序中进给速度也能够利用机床控制面板中的修调开关实行人工调节，但是设备刚度与进给系统系能对最大进给速度造成限制。

此外，随着航天飞行器制造行业的发展，大量飞行器结构件都利用难加工材料，在数控切削参数上选择难加工材料应当注意几点：第一，尽量低的切削速度；第二，切削深度增加；第三，加工切削严禁停止走刀；第四，盡量使用冷却液。

3 飞行器结构强度可靠性检验

3.1 结构强度检验的现状及存在问题

当利用传统安全系数法设计飞行器时，使用载荷和安全系数之积作为了抽检强度试验的合格蒙荷，取得试验次数为1。这一具有结构强度的抽检试验方法突出了极强的经验性，不能定量检测结构可靠范围。当设计飞行器利用安全可靠的结构系数时，试验抽样强度的合格蒙荷是利用载荷乘以可靠性安全系数之积，得出试验次数大于等于2。不同于传统安全系数法的地方便是安全系数值和设计结构之间的可靠关联，相较于传统安全系数其有所降低。

3.2 结构可靠性检验的一般概念

相同结构相同破坏方式的强度变差系数都是近似的。通常由小试件或者缩减试件的测验结果统计获得。在可靠性检验正式产品结构强度时，可以理解为已知结构强度变差系数。因此，结构强度的可靠性检验事实上是结构强度检验中值是否符合结构可靠性需求。通过结构强度检验具有破坏性，仅利用抽样检验，利用其能够且仅可以获得产品结构强度的可靠性范围，例如R1=0.9999；R2取值稍低于结构可靠性设计，其也是能够接受的结构可靠性下限。例如R2=0.99。与R1相应的结构强度中值S1=L+u1（R1），相对R2的结构强度中值S2=L+u2（R2）。应当确保抽样检验。

当S≥S1时，利用大于或者等于（1-a）的概率对产品强度判断其是否合格，其中a是第一类错误的概率，即将S≥S1的产品判定是不合格的概率。

当≤S2时，产品合格概率判定小于b，b是第二类错误的概率，一般取值为0.1。（见图2）

4 结语

在当今世界科技中航天技术是作为顶尖的技术，也着重体现了一个国家的技术发展水平以及综合实力。世界上的航天发达国家与工作者非常重视和发展以自主进入空间、加强控制空间、天地往返技术，各个航天大国已经把研究计划各种先进技术、航天飞行器新理念作为主要发展任务，并且获得了实质性的进展。我国通过若干年的发展研究，已经进入航天大国的队伍中，并且已经获得了极大的进步，对空间资源的开发也更加迅速，迫切需要积极研究航天飞行器的制造工艺。

参考文献

[1] 刘松平，郭恩明，陈积懋，等.金属薄壁管件复合超声检测技术[J].无损探伤，2009（2）：6-10.

[2] 刘松平，郭恩明.扩散连接构件微缺陷高频超声检测技术[J].航空制造工程，1993（5）：38-40.

[3] 刘松平，郭恩明，谢文凯，等.钛合金扩散焊中紧贴型缺陷的超声检测[J].无损检测，2004（2）：62-65.

[4] 刘松平.复合材料无损检测与缺陷评估技术[J].无损检测，2008（10）：673-678.

[5] 刘松平，刘菲菲，郭恩明，等.先进的可视化成像无损检测技术及其应用[J].航空制造技术，2006（11）：48-51.

[6] 刘松平.蜂窝胶层结构粘结状态的测试[J].测控技术，2010（1）.