摘要
先进结构是支撑航天运载器研制及航天任务实施的基础，而先进材料与工艺技术则是先进航天运载器结构研制的重要基石。本文在简要论述航天运载器结构特点及我国发展趋势的基础上，综述了我国航天运载器结构金属材料、复合材料和智能材料的应用与发展需求，最后从超大型结构制造、整体高精高性能制造、复合材料结构制造、增材制造和绿色制造五个方面综述了航天结构先进工艺技术的未来发展趋势，并对重点研究方向进行了展望。
航天材料及工艺技术是发展航天运载器的基础技术、先导技术和关键技术，是决定航天运载器性能、质量、可靠性和成本的基础因素，贯穿于每一件航天产品及航天器的设计、研制、生产、试验及使用维护的全寿命周期，其性能与水平在很大程度上制约着航天高技术的发展和运载器装备的研制进程，也是衡量我国航天产品和科技发展水平的重要标志之
随着航天运载器装备迭代发展速度不断加快，性能要求不断提升，运载火箭结构不断向整体化、大型化、轻量化发展，运载能力与可靠性持续增强。航天运载器不断向高射程、高精度发展，打击能力不断提升；空天飞行器在天地往返运输、天基跨域等方向多面推进，空天安全装备体系加快构建。新型航天运载器的发展需要先进材料与先进工艺技术的不断创新予以全面支
航天运载器通常可按照总体、动力、结构、控制、发射支持、有效载荷等重要专业系
图1 液体运载火箭组成示意
Fig.1 Composition of liquid rocket
随着空间站建设、载人登月、行星探测等重大航天工程的提出，我国航天运输任务需求已进入持续快增长阶段，运载火箭发展趋势主要表现为结构的尺寸大型化、结构轻质化和重复使用化。在尺寸大型化方面，以10 m级超大直径重型运载火箭为典型代表的箭体结构的研制已成为航天强国建设的重要标志之一。在结构轻质化方面，箭体结构效率，高性能材料的研发与应用、整体化高精度制造技术应用是关键。在重复使用化方面，回收系统结构机构、返回防热结构研制已形成迫切需求。
除了常规构型的运载火箭，航天运载器的研究交叉越发明显，空天跨领域结合飞行器已成为这类航天运载器在当前世界航天角逐的技术前沿，尤其是快速多模航天运载器的发展更是研究热点，其结构特征主要表现在抗极端力热环境承载的舱段、翼舵及热防护需
高性能材料是航天运载器研制发展的关键基础，轻质、高强度是航天结构材料的永恒追求。由于需要在高应力、超高温、超低温、强腐蚀等极端条件下工作，运载器性能设计高度依赖所选用结构材料本身所具有的特性和功能。目前，国内外航天运载器结构材料主要涉及轻质高强金属材料（高强度铝合金、镁合金、钛合金、高温合金等）和轻质复合材料（结构复合材料、功能复合材料等），同时也开展了智能变形材料的探索研究。
铝及铝合金因其密度低、力学性能好、加工性和焊接性优良，在弹箭体舱段、贮箱、支架等结构获得了广泛应用，是世界上大多数航天运载器的主体结构材
高强铝合金作为航天应用最多的轻质材料，主要包括2XXX系和7XXX系铝合金，按照我国航空航天发展历程可以分为5个阶
铝锂合金具有高比强度、高比模量、耐蚀性好、低密度等一系列优势，用于取代传统高强Al-Cu合金可为航天运载器结构带来显著减重效果。以2195、2198为代表的先进铝锂合金已经在航天飞机外挂贮箱、Falcon 9火箭等型号中已经得到了成熟应用，产生了巨大经济价值。目前国内在1420、2195、2A97等铝锂合金的小规格材料制备，并在卫星支架、桁条、弹头头罩等结构中取得了重要应用，进一步突破大规格的铝锂合金的原材料低成本制备、塑性成形、热处理、焊接等技术是实现我国航天结构轻量化研制的关键。
随着航天装备轻量化发展要求的不断提升，超轻质、超高强度、超高模量、高耐热、高耐蚀等综合性能的新型铝合金及铝基复合材料研发也越来越受到航空航天领域的重视。以Sc、Er元素强化的高可焊耐蚀铝钪合金（5B70、5028、5024等）、铝铒合金为国防军工产业开辟了特殊条件应用的新领域，进一步开展自主创新研究、推动制造工艺成熟化和低成本化已成为工程应用关注的重点。
镁及镁合金是目前最轻的金属结构工程材料之一，具有比强度、比模量高、优良的导热性和导电性、减震系数高、电磁屏蔽性能好等一系列优点，我国作为世界上镁资源最丰富的国家，原镁的年产量占到了世界总年产量的80%，推动镁合金替代铝合金实现航天结构减重具有天然优势。
高强耐热镁合金作为航空航天结构材料的主要需求方向，稀土元素强化镁合金展现了独一无二高性能优势，用于弹箭体整体舱段结构可带来近30%的减重效果，使用温度提升至200 ℃以上，可大大提升航空航天结构的轻质化水平和结构的承载效
整体而言，镁合金在航天结构领域的应用已处于快速推广阶段，但是随着航天要求的不断提高，镁合金工程应用仍面临一部分问题，主要表现在：一方面，相比高强铝合金，镁合金结构的抗拉强度、延伸率和弹性模量仍偏低，而且稀土元素合金化导致镁合金成本偏高，亟需开发更高性能低成本镁合金材料体系，如轻质Mg-Li合金材料已成为国内外研究热点。另一方面，镁合金工程应用技术仍需进一步成熟化，尤其是大尺寸镁合金结构件的精密熔铸缺陷抑制、弱刚性整体机加工变形控制、高可靠表面防护等技术仍需进一步研究。
钛是地球上储量仅次于铝的重要轻质材料，钛合金的强度达到500～1 400 MPa，比铝合金、镁合金高得多，钛合金的高温及低温性能更具优势，能在550 ℃高温和-250 ℃低温下长期工作而保持性能不变，已成为航空航天结构关键战略材料。针对航天运载器高应力承载、超高/低温、强腐蚀等极端条件下服役需求，国内外已开发出各种性能钛合金系列和加工制造技
国内航天领域钛合金精密锻造技术主要涉及TC4ELI、TA7ELI、TC4、TC11、TA15等牌号，大量应用于压力容器、局部高强承力结构及大承载紧固
中/高温高强韧大承载是未来航天钛合金结构面临的主要挑战，为支撑我国航天快速航天运载器耐热承载一体的发展的迫切需求，亟须加快对600 ℃及650 ℃以上的高温高强钛合金、Ti-Al系金属间化合物等材料体系的研究与工程应用突破。工程应用中受室温塑性差的反向制约，针对高强钛合金难变形的特点，需结合航天结构大尺寸、高成形精度及高性能需求，推动精密铸造、超塑性成形、扩散焊/激光焊连接、粉末冶金及增材制造等应用技术的发展，提升钛合金在航天结构中的应用成熟度。
高温合金是指具有优异的600 ℃以上的高温热力学性能，具体表现为耐高温、抗氧化、高强度等，主要包含铁基高温合金（600～800 ℃）、镍基高温合金（650～1 000 ℃）和钴基高温合金（730～1 100 ℃）三大类，是航空航天发动机结构的首选服役材料。由于高温合金材料密度较大，难以满足航天运载器结构轻质应用要求，因此主要用于大承载紧固件和局部承力轴舵等。以GH4169、GH2132等为代表的高温合金，因其高/低温力学强度高、线胀系数低、耐蚀性强，在低温运载火箭、空天飞行器的紧固件方面得到了广泛的应用。GH4099在960 ℃，拉伸强度仍能保存在250 MPa以上，因此在快速飞行航天运载器的舵部件上得到应用。此外，新型金属材料，如因瓦合金，在200 ℃以下具有陶瓷材料接近的线胀系数，在快速飞行航天运载器中得到广泛应用。
随着航天运载器的进一步发展，针对长时间大气层内快速飞行运载器活动部件操纵需求的不断增加，需设计耐热1 000 ℃以上的高温合金轴系部件；针对高温合金与热结构复合材料高温热匹配差异性问题，开展低热膨胀系数的高温合金材料及其精密成型工艺研究；为应对新一代航天运载器高性能连接需求，需全面开展以高温合金材料为基础的高强高可靠紧固件制造、试验与评价技术研究。
自上世纪50年代起，结构复合材料的轻质高性能就引起了航空航天领域的高度关注，相比铝合金构件，可实现30%以上的结构减重，主要形成了环氧树脂、双马来酰亚胺树脂和耐高温聚酰亚胺树脂基体的三大结构复合材料体
环氧树脂基结构复合材料由于成形性好，工艺发展最成熟，是目前应用最广的结构复合材料，服役温度通常低于180 ℃。随着双马来酰亚胺树脂基复合材料的发展，提升服役温度到230～280 ℃，并形成了以TG800/802为典型代表的推广应用。目前，耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料体系已提升服役温度超过500 ℃的研究目标，随着材料工艺性改善和应用技术的突破，已在快速飞行航天运载器产品实现了应用。
随着航天运载器对减重、增程等指标的要求不断提高，成形性更好、耐温等级更高的结构复合材料已成为运载器结构复合材料的重点研究方向。但是，高强/高模碳纤维仍然是制约我国高性能复合材料发展瓶颈难题，亟需突破国外技术封锁，从制造工艺、生产成本等方面同步推进，集中攻关T1000、T1100等为代表的高强碳纤维技术，加速突破M45、M50高模量碳纤维技术，在研发的同时加强逐步提高碳纤维工程化应用的成熟度。此外，高性能连续纤维增强热塑性复合材料的研制将大幅提升结构可设计性，航空结构已实现初步应
超低温复合材料贮箱作为一个特殊研究领域，国内外均开展了碳纤维增强低温环氧树脂基复合材料的研制。美国先后完成了多种规格类型的低温复合材料贮箱研制，
图2 12 m直径复合材料贮箱
Fig.2 Composite tank with 12 m in diameter
功能复合材料主要涉及防热、隔热、透波等功能要求，是先进热防护系统设计研制的关键，在快速飞行器和重复使用运载器等领域具有不可或缺的作用。国内外已发展出树脂基烧蚀防热材料、热结构材料、碳基防热材料、透波多功能防热材料、高效隔热材料等功能复合材料体
图3 烧蚀材料烧蚀过程中物理和化学变化
Fig.3 Complicated physical and chemical changes during ablating of ablative materials
国内在航天热防护系统中，重点发展了烧蚀型防热复合材料、微烧蚀C/C复合材料和热透波复合材料体
整体而言，我国高效防隔热材料体系与欧美先进国家发展水平相当且部分领先。为支撑新型航天运载器等长时间防隔热服役、重复使用运载火箭防隔热重复应用及未来飞行器功能结构一体化融合发展的需求，未来需进一步加大功能复合材料基础研究和原创技术的研究力度，争取在高温树脂、透波超材料、多模式防热、防隔热一体化等领域实现技术创新与突破。牵引高性能碳纤维、碳化物纤维、氮化硅纤维等高性能纤维及PCS、SiBCN等陶瓷前驱体、空心玻璃小球等特种填料关键原材料的研发，推动航天关键原材料全面实现自主可控。实现超低密度、超低热导率、防热和隔热功能兼备，同时具备轻质防热/隔热/维形、防热/隔热/隐身\防热/隔热/承载等多功能一体化材料研发与工程应用目标。
智能变形材料即能够实现形状记忆、磁致伸缩、电致伸缩、压电效应等功能的材料。随着航天运载器型号智能化、集成化发展需求，智能材料备受关注，特别是在变形蒙皮、折叠驱动等领域的需求尤为迫
德国空间中心曾用智能变速箱杆代替原有的变速箱杆在BK117 直升机上做了飞行测试，测试结果表明这种基于压电陶瓷的主动减振系统在任何环境下工作都很稳定，并且在试验频率下变速箱支撑杆的振动得到了良好的控制，智能变速箱杆在BK117 上的实际安装如
图4 智能变速箱杆在BK117直升机的应
Fig.4 Smart gearbox struts installed in BK117 test helicopter
根据目前的发展水平，智能材料只在航天器的部分单一功能开展了应用尝试，还不能满足高性能集成需求。例如，形状记忆聚合物存在高效加热问题、柔性变形过程中的气动承载问题以及变形有限次数开裂和断裂问题。形状记忆合金输出力大的特点，引起了广泛的科研关注，如
图5 形状记忆合金材料最大弹性应变与密度的关
Fig.5 Relationship between maximum superelastic strain and density of polycrystalline SMAs
超大型结构制造与装配是液体运载火箭结构的重要发展趋
图6 SLS火箭箱底搅拌摩擦焊接
Fig.6 Friction stir welded propellant tank dome for SLS rocket
针对大尺寸钣金成形技术，火箭大型钣金结构件包括瓜瓣、顶盖、壁板、型材框、钣材框等。其中，瓜瓣和顶盖多数为椭球面，成形复杂要求高，成形工艺有压力机拉深成形、拉形机拉形、蠕变时效成形等方法，为满足自动化焊接装配的高精度要求，需进一步研究成形工艺的技术经济性。在大型加筋网格壁板制造方面，国外重型火箭研制主要发展平板机铣和等距压弯成形技术，而国内成形工艺路线繁杂，如滚弯后机铣、平板机铣后滚弯、平板机铣后蠕变弯曲等多种成形工艺路线，为适应结构最终性能与经济性匹配要求，需开展深入工艺评价和选优。
此外，针对未来2195高强铝锂合金、7085超高强铝合金大厚锻件成形技术亟需完成瓶颈突破，超大型弱刚性整流罩夹层结构成形技术、大型舱段智能自动化铆接装配技
整体化制造是实现航天结构高性能研制的重要途径之一。火箭贮箱箱底整体成形、弹体舱段整体精密环锻成形与机加、飞行器复合材料整体骨架一体化成形技术等为提升航天结构性能提供了新途径。
在贮箱箱底整体制造方面，整体旋压成形、整体液压成形、快速电磁脉冲成形等技术均可突破传统瓜瓣拼焊方案，大幅减少焊缝数量，提高结构安全可靠
图7 箱底制造方案
Fig.7 Manufacturing approach of propellant tank dome
此外，针对快速飞行器的严酷多变气动特性，整体高精结构装配技术的迫切需求，通过为减少骨架、舵、翼等部件间的连接，降低装配后部件的变形。在金属材料结构方面，需进一步开展大型复杂铝合金和镁合金整体舱段整体制造技术研究，重点解决大尺寸构件制造缺陷抑制、整体机加应力变形预测与控制、连接结构防护等难题。在复合材料结构方面，研究整体编织和整体成型的工艺，突破飞行器复合材料整体骨架一体化成形技术，实现整体高精高性能一体化制造具有重要意义。
随着航天器复合材料结构的大型化、集成化、轻量化、批量化等需求发展，大尺寸复合材料构件整体成型技术、复合材料高效自动铺放技术以及低成本工艺技术得到了广泛的工程应
复合材料结构高性能制造面临着结构复杂化、曲率变化剧烈、承载要求显著提升等挑战，未来低成本高性能复合材料工艺技术发展重点方向包括：非热压罐成型工
图8 复合材料蒙皮桁条结构
Fig.8 Skin-stringer structures made by composite material
增材制造技术是近二十年来迅速发展起来的高端数字化制造技术，特别适合于具有多批次、小批量、研制与设计迭代频繁的航天产品快速研制，NASA率先在航天发动机零部件的制造实现应用验
为充分发挥技术优势，传统增材制造技术正逐步转向“结构-材料-性能一体化增材制造”（MSPI-AP）的制造内涵，变革传统的串联式增材制造路线，发展新的材料结构-材料-性能一体化“并行模式”。
图9 航天应用材料-结构-性能一体增材制造技术示
Fig.9 Example of material-structure-performance integrated additive manufacturing for potential aerospace applications
绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是产品从设计、制造、包装、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响小、资源利用率高、综合效益大，使企业经济效益与社会效益得到协调优
针对现有航天产品，推进绿色制造的概念和路径非常丰富。首先，促进绿色加工工艺研究与应用，如铝合金等金属的低污染表面处理技术、机械铣削替代化学铣切加工、激光清洗技
总体而言，航天运载器结构技术发展是以轻质化为核心，以先进材料及工艺技术为支撑不断追求高结构效率。其中，高性能轻质金属材料作为航天结构材料的重要组成部分，为满足结构的强度极限设计要求，高强、耐热、耐损伤的轻质金属材料是航天应用和发展的主要发展方向，突破高强/超高强难变形和大型整体高精度制造的双重挑战，是进一步推动高强轻质金属材料成熟化应用的研究重点。先进复合材料在高温性能、力学性能等方面具有突出优势，在新型航天结构中的应用比例日益增加，提升高强/高模碳纤维和耐高/低温树脂材料及其匹配成型技术、发展承载/防隔热/透波/隐身等功能结构一体化技术、降低制造成本是该材料的研究和发展的重点。此外，智能变形结构、结构功能一体化制造、绿色制造理念等代表了先进航天技术的发展方向，推动智能变形材料技术、材料-结构-性能一体化增材制造等前沿技术的研究，对于促进航天结构材料与技术的发展具有重要意义。
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