中國新一代中型運載火箭長征七號6月25日在新建成的海南省文昌航天發(fā)射場首次成功，標(biāo)志著中國載人航天工程空間實驗室任務(wù)順利啟動。長征七號火箭總長53.1m，起飛質(zhì)量約597t，近地軌道運載能力13.5t，有4個助推器，直徑2.25m，長約27m，以液氧-煤油作為燃料，無毒無污染，因為煤油與氧燃燒時全部變?yōu)槎趸寂c水氣，別無他物，芯極直徑3.35m。長征七號火箭自身質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)和設(shè)備質(zhì)量僅占總質(zhì)量的10%，因此可以裝更多的燃料，運送更多的“乘客”。

　　整個火箭由整流罩、儀器艙、二級液氧箱、二級燃箱、助推錐頭、助推液氧箱、一級液氧箱、一級煤油箱、助推煤油箱、一級尾段、且推尾段構(gòu)成。

　　鋁合金對長征火箭的成功飛天起了決定性的作用，沒有鋁、火箭的順利升天很難做到目前這樣得心應(yīng)手。液氧、液氫、煤油是火箭發(fā)動機的助燃劑與燃料。氧在1大氣壓與-182.97℃成為液體，氫在1大氣壓與-252.8℃變?yōu)橐后w。因此，貯存液氧與液氫的容器必須有良好的低溫性能，我們知道，普通的結(jié)構(gòu)鋼與除鋁以外的其他有色金屬均有低溫脆性，即它們的塑性與韌性均隨著溫度的降低而顯著下降，可是鋁合金則是一種非常好的低溫合金，它的各項力學(xué)性能與加工成形性能全面地隨著溫度的下降而相應(yīng)地均衡地上升。因此，鋁合金是制造液氫、液氧貯存與運輸容器的唯一首選材料，它具有最佳的綜合性能：密度小，對航空航天器來說，這個性能顯得非常重要與突出;無低溫脆性;加工成形性好，相當(dāng)高的力學(xué)性能;可回收性好;可焊接性優(yōu)，特別易于摩擦攪拌焊等等。

　　長征七號火箭的液氧箱、煤油箱是用什么材料制造的?

　　可以肯定的是，是用鋁合金制的。至于用的是什么鋁合金，很可能是2219合金，因為它有良好的綜合性能，同時國外發(fā)射火箭的液氫、液氧箱等都是用它焊接的。美國發(fā)射土星-阿波羅運載火箭的總質(zhì)量約3000t，其中液氧的質(zhì)量超過2000t，其貯存箱都是用2219合金焊接的。

　　2219鋁合金：航天材料之寶

　　2219鋁合金是一種Al-Cu-Mn-Ti-V-Zr系合金，現(xiàn)在已形成有4兄弟的大家族：2219、2319、2419、2519，2219合金誕生于上世紀(jì)50年代初，2519合金1985年注冊，但是229合金經(jīng)過近70來年的使用與考驗寶刀不老，仍是一種主要的航天鋁合金，發(fā)射火箭的低溫燃料貯箱是用其板材焊接的，美國用摩擦攪拌焊(FSW)自動焊接，它們的化學(xué)成分見表1。

　　2219型鋁合金是為航空航天工業(yè)的發(fā)展研發(fā)的，是繼7075合金之后的在常規(guī)航空航天鋁合金研究方面一次較大的突破。由表1所列的成分可見，主要的合金化元素只有Cu，其含量比2024型合金的高得多，約高45%;第二個特點是，次要的合金元素多，有Mn、Ti、V、Zr，它們都是高熔點元素，可與鋁形成難熔的二元化合物，如Al6Mn、Al3Ti、Al3Zr、Al3V等，這些元素都有細(xì)化鑄錠晶粒作用，提高合金的再結(jié)晶溫度;第三，雜質(zhì)Fe、Si的含量低，除2519合金含0.05%~0.40%Mg外，鎂在其他三個合金中也是雜質(zhì)，Zn也算是一種雜質(zhì)，由于Fe、Si含量低，所以形成的不溶雜質(zhì)相很少，Mg與Zn全部固溶于Al，因此這些雜質(zhì)對合金性能幾乎沒有影響或影響極微。我們可以把2219型合金看成是一種二元Al-Cu系合金，當(dāng)然，由于次要的合金元素多，也可以把它看成是一種復(fù)雜的多元合金。

　　合金的性能

　　首先，2219合金是服役溫度范圍廣的合金，可在低至-269℃的極低溫度環(huán)境下使用，是一種優(yōu)秀的低溫合金，它的各項力學(xué)性能隨著溫度的下降而同步均衡地上升，也可以在高達300℃高溫環(huán)境中工作(表2)，因此，它是一種工作溫度范圍寬達569℃的合金，比任何其他現(xiàn)行鋁合金的應(yīng)用范圍都廣，即是一種低溫合金，又是一種高溫合金，是一種最牛的航空航天合金。

　　有良好的可焊性，焊接時用2319合金焊條或焊絲，可獲得高的焊縫強度，而在摩擦攪拌焊后，焊縫及熱影響區(qū)的抗拉強度幾乎與基體材料的相等，美國發(fā)射航天器火箭的液氧、液氫都是用此法焊接的，不用焊條或焊絲。

　　2219合金的雜質(zhì)含量低，是一個相當(dāng)干凈的合金，因而斷裂韌性高，特別是短橫向(厚度方向)的，T8狀態(tài)合金有很高的抵抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，極為難能可貴，抗拉彈性模量E=73.8GN/m2，抗壓彈性模量75.2GN/m2，泊松比為0.33。R.R.摩爾試驗疲勞強度(循環(huán)次數(shù)5×108)103N/mm2。

　　2219合金的熱學(xué)性能：液相線溫度643℃，低熔點共晶的開始熔化溫度543℃，線膨脹系數(shù)如下：

　　溫度范圍，℃ 平均線脹系數(shù)，μm/(m·k)

　　-50~+20 20.8

　　20~100 22.5

　　20~200 23.4

　　20~300 22.4

　　體脹系數(shù)6.5×10-5m3/(m3·k);20℃時比熱容864J/(kg·K);熱導(dǎo)率，O狀狀態(tài)的170W/(m·k)，T31及T37狀態(tài)的116W/(m·k)，T62、T81、T87狀態(tài)的為130W/(m·k);20℃的體積電導(dǎo)率：O狀態(tài)的44%IACS，T31、T37、T351狀態(tài)的28%IACS，T62、T81、T87、T851狀態(tài)的為30%IACS。

　　2219合金20℃時的電阻率：O狀態(tài)的39nΩ·m，T31、T37、T351狀態(tài)的62nΩ·m，T62、T81、T87、T851狀態(tài)的57nΩ·m。各種狀態(tài)材料的電阻溫度系數(shù)皆為0.1nΩ·m/K(20℃)。

　　2219合金的電位：在25℃的含53g Nacl及3g H2O3的水溶液中對0.1甘汞電極的電位，T31、T37、T351狀態(tài)材料的-0.64V、T62、T81、T87、T851狀態(tài)材料的-80V。

　　2219合金的退火溫度535℃，人工時效規(guī)范：165℃~190℃，18h~36h，具體人工時效溫度及保溫時間決定于所需狀態(tài)。2219合金沒有自然時效能力。

　　2219合金的半成品種類有板、帶、管、棒、型、線材與鍛件，板、帶材有包鋁的，也有不包的，線材用于加工鉚釘、焊條、焊絲。材料狀態(tài)有：O、T42、T31、T351、T37、T62、T81、T851、T87.

　　2219合金主要用于航空航天領(lǐng)域，生產(chǎn)這類合金的企業(yè)必須擁有生產(chǎn)這類材料的現(xiàn)代化成套裝備與技術(shù)，美國在生產(chǎn)此類合金方面居世界領(lǐng)先水平。

　　中國最牛最大火箭“長五”也將擇機發(fā)射

　　由中國航天科技集團公司研制的中國最大火箭——長征五號運載火箭將于下半年完成首飛，據(jù)媒體報道，它是中國目前高度最高、體積最大、運載能力最強的火箭?！伴L五”的突出特點是技術(shù)新與設(shè)計復(fù)雜，應(yīng)用了247項先進核心技術(shù)，集成了多項最新的航天技術(shù)，零部件新技術(shù)采用率幾乎達到了100%，中國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。令人嘆為觀止的是，“長五”的總質(zhì)量超過800t，其中-252℃的液氫和-183℃的液氧質(zhì)量約占90%，即約有720t是液氧/煤油、液氫/液氧低溫推進劑組合，完全無毒、無污染的環(huán)保型的燃料，不過液氫溫度低達-252℃，給動力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了更大的挑戰(zhàn)。液氫、液氧等燃料的容器無疑應(yīng)是用不怕天寒地凍的2219鋁合金板焊接的。長征五號火箭是中國迄今為止使用鋁合金最多的單種運載火箭。

　　“長五”的首飛具體時間尚未最終敲定，但是它的零部件數(shù)多達十三四萬個，它的制造與發(fā)射除大大提升與進一步鞏固中國運載火箭在世界航天界地位，還將加速中國由航天大國向強國轉(zhuǎn)變進程?！伴L五”主要用于發(fā)射嫦娥五號、空間站核心艙與火星探測器，它們都是國家的重大專項空間工程。

　　據(jù)稱，“長五”在首飛后，將會被繼續(xù)研制和系列生產(chǎn)，這也將會更有力地推動國內(nèi)空間科學(xué)和空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動多領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)進步，促進成升上萬個企業(yè)，乃致國民經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級和國防建設(shè)的加強，鋁產(chǎn)業(yè)將是主要受益者之一。(王祝堂)