【大连理工大学】我校先进制造与结构优化科研成果助推长征五号运载火箭飞天

   11月3日，我国运载能力最大的长征五号运载火箭在海南文昌发射中心首飞成功，使我国运载火箭的规模实现了从中型向大型的跨越，运载能力达到或超过国外主流大型火箭，是我国由航天大国迈入航天强国的重要支撑和显著性标志之一。大连理工大学先进制造、结构优化等领域的多项科研成果应用于长征五号运载火箭，为助推长征五号运载火箭飞天作出了重要贡献。

  先进制造团队成功解决了大推力液体火箭发动机复杂曲面零部件制造难题

长征五号运载火箭主要承担我国未来空间站建设、探月、深空探测等重大航天工程的发射任务，是我国目前研制成功的体型最大（芯级直径5米、箭长50余米）、运载能力最大（近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨）的火箭。与现役的长征三号等其他火箭相比，长征五号的起飞推力更大，需要上千吨，原有的发动机型号难以胜任。为此，我国启动了新一代大推力液体火箭发动机的研制计划。

从上个世纪九十年代开始，受西安航天发动机厂委托，我校机械学科的卢杰持教授带领乔显力、王永青、胡力耘、范金等科研人员，应用自有的“数控仿形”技术，研发出了直槽喷管仿形加工技术、螺旋槽喷管多轴联动数控加工技术以及相应控制系统，解决了喷管零件单件小批量制造的燃眉之急，满足了当时火箭型号发动机的制造需求，奠定了我校与中国航天科技集团的合作基础。

2008年，贾振元教授牵头承担了国家自然科学基金重点项目“多源约束面形再设计类复杂曲面零件的加工理论与技术（50835001）”，针对高性能复杂曲面零件精密加工难题，提出了保证零件性能要求为主要目标的多源约束面形再设计类复杂曲面零件“测量-再设计-数字加工”一体化的新思想，提出了性能驱动的面形再设计原理，突破了面向再设计的几何/物理参量在位测量及协调控制、大型复杂曲面海量数据快速处理、大型复杂曲面高效加工运动几何规划、大型低刚度复杂曲面零件可靠安装、测量-加工一体化装备集成设计等关键技术，形成了多源约束面形再设计类复杂曲面零件精密加工的新原理、新方法与新技术。

同年，贾振元教授、王永青教授开始牵头承担“大型薄壁件铣槽机研制”任务，基于独有的面形再设计思想，提出了大型火箭喷管“激光在机测量-槽底曲面再设计-数字化铣槽”一体化的加工方法，发明了双立柱、双主轴对称结构布局的立式加工装备，开发了基于商用开放式数控平台的专用加工控制系统。相关研究技术与装备作为“关联面形约束的大型复杂曲面加工技术与装备”的核心成果，获2014年国家技术发明二等奖。

目前，我校已为西安航天发动机厂交付了8台套的喷管铣槽加工装备和2种类型零件加工程序自动编程系统，彻底弥补了我国高性能液体火箭发动机研制中喷管铣槽加工这一技术“短板”。项目研究成果为提升我国液体火箭发动机制造技术水平、加快重型/大型运载火箭研制进程、增强国防实力和国家综合实力做出了重要贡献。发射圆满成功后，西安航天发动机厂向我校发来感谢信，感谢我校贾振元教授、王永青教授、刘海波副教授等为主要完成人创新研发的“液体火箭发动机喷管冷却通道数字化加工技术与成套装备”，成功解决了大推力液体火箭发动机喷管加工的瓶颈难题，为长征五号运载火箭的成功发射做出了重要贡献。

结构优化研究成果助力长征五号运载火箭“轻身”飞天

长征五号火箭运载能力比现役运载火箭提升两倍多，跨越式提升的运载能力需求和起飞推力为5m大直径箭体结构系统的设计造成了空前挑战。大连理工大学工程力学系多名教授关于结构强度分析、结构优化方法、动力学仿真等多项关键成果成功应用于长征五号运载火箭，为保证火箭结构系统研制成功做出了重要贡献。

为保证火箭的运载能力，2009年开始，在程耿东院士的指导下，王博教授、亢战教授、李刚教授带领了一支以青年教师和学生为主的科研团队，与中国运载火箭技术研究院的火箭工程师们一起工作，围绕箭体结构的优化设计开展了大量研究工作，针对火箭芯级主承载舱段、助推器、关键连接结构等20 多个部段开展了优化减重设计工作，为火箭成功减重645公斤，单发火箭节约发射成本2000万元，为保证火箭的运载能力做出了重要的贡献。

针对火箭结构轻量化设计系列难题，王博教授牵头承担了“航天箭体结构优化减重设计的关键技术”总装预研教育部联合支撑计划重点项目和科技部青年973项目“计及缺陷敏感性的网格加筋筒壳结构轻量化设计理论与方法”，有针对性建立了系列薄壁结构高效分析和优化方法，解决了航天弹箭体结构轻量化设计瓶颈问题，已写入我国航天行业标准；建立了壳体失稳折减因子精确预测方法，避免了承力结构的过度冗余，挖掘并提升了轻量化空间；面向复杂航天关键部件创新结构设计，提出了“集中力扩散”结构拓扑优化方法，解决了有限空间下大集中力扩散连接结构创新构型设计难题。这些关键技术都成功应用于长征5号运载火箭的结构研制。

长征五号大尺寸柔性整流罩分离系统是火箭飞行中一个关键的系统，决定着火箭能够顺利地将有效载荷送入预定轨道。李刚教授、郝鹏副教授针对大型柔性整流罩模型规模大、分离仿真分析效率低以及流固耦合收敛性问题，建立了大型柔性整流罩地面分离试验仿真预示方法，成功预示迄今为止我国试验规模和难度最大的整流罩分离试验，能够准确预测分离过程中各项技术指标，与实测值的误差在10%以内，对长征5号整流罩设计意义重大。

长征五号运载火箭采用无毒、无污染的液氢液氧作为推进剂，在其800吨的身体里90%是超低温的推进剂，是名副其实的“冰箭”。箭体贮箱的绝热结构设计是防止推进剂在贮箱内过快蒸发、关乎火箭是否正常发射的重要问题。王博教授和任明法副教授带领团队建立的低温贮箱蒸发量数值仿真预测技术、以及绝热结构热力耦合分析技术，成功得到地面试验的验证，为火箭贮箱生产和设计提供了重要参考价值的设计依据。

我校亢战教授与航天八院合作，采用拓扑优化和参数优化等方法对长征五号运载火箭助推器斜头锥结构进行优化，解决了偏置大集中力载荷传递结构优化设计的技术难题，在最不利工况下显著降低了主承弯大梁等构件重量，并从数值预测上保障了结构设计的可靠性，其结构优化设计方案被长征五号火箭助推器设计中采纳。

长征五号的发射成功，是我国工业装备制造与设计能力整体提升的又一项标志性成果，大连理工大学的一直在这条国家需求之路上不断前行。