火箭箭体结构 (火箭箭体的结构)

火箭箭体结构

火箭箭体结构是火箭的重要组成部分，其功用是把箭上各分系统，如有效载荷、控制系统、动力系统和测量系统等连成一个整体，为它们提供可靠工作的环境，并承受地面操作和飞行中的外力，维持良好的气动外形，保持火箭的完整性。

基本介绍

中文名：火箭箭体结构外文名：Rocket body structure

功用

火箭箭体结构是火箭承受各种载荷的支撑构件的总成，它像人的躯体一样，把火箭的有效载荷、飞行控制系统和推进系统等联结成一个完整的整体，形成流线形的光滑外壳，保护着箭体内部的仪器设备。因此，人们俗称它为火箭的壳体。箭体结构的主要功用可以归纳如下：形成箭体表面光滑的流线形外壳，使火箭具有良好的空气动力外形和飞行性能；
承受地面操作、运输和飞行中的各种载荷，保护箭体内部的各种仪器设备，并为它们创造良好的工作环境；
製成推进剂贮箱，储存飞行中使用的推进剂；
安装、连线有效载荷、仪器设备、动力装置和各种试验装置，使火箭构成一个整体，并适时地抛掉完成使命的子级和整流罩等结构。

组成

箭体结构一般由有效载荷整流罩、推进剂贮箱、输送系统元件、仪器舱、级间段、发动机架和尾段等几部分组成，见右图。有效载荷整流罩是有效载荷或末级火箭的包封部件，其功用是在大气层飞行段保护有效载荷。罩的外形随有效载荷的大小、形状和气动特性而定，一般採用锥—柱或锥—柱—锥型硬壳式结构。推进剂贮箱是贮存推进剂的容器，也是火箭的承力结构。贮箱占火箭体积的大部分。基本结构形式，按形状可分为圆柱形、锥—柱组合形、截锥形、球形、环形和扁豆形等；按受力形式可分为受力式和非受力(悬挂)式；按贮箱的相互关係可分为独立式(彼此可通过箱间段相连)和整体(共底)式；按结构特点可分为硬壳式、半硬壳式和格线式等。此外，为了总装对接和布局需要，贮箱前、后两端常带有前、后短壳。动力系统元件用来给贮箱加注和向发动机供应推进剂，提供增压气体等。主要包括推进剂输送导管、贮箱推进剂出口消旋器、阀门、增压压力容器和供气导管，有时还配一些排气、吹除导管等。输送导管可以穿通贮箱或沿壳段外壁通至发动机。仪器舱用以安置仪器设备，主要承受轴向载荷和弯矩。通常採用截锥形或圆柱形半硬壳式结构。仪器设备通过舱壁的加劲件或专门支撑件安置在舱内。级间段是多级火箭级与级之间的连线部件。主要承受轴向力和弯矩。结构形式与分离方式有关，冷分离方式常採用半硬壳式结构；热分离方式可採用桿繫结构或开有排气口的半硬壳式结构，以便通畅排出上面级发动机的燃气流。通常，级间段还兼起上面级发动机保护罩的作用。发动机架是传递发动机推力的承力构件，也是安装发动机及其附属档案的支承体。基本结构形式是桿繫结构或半硬壳式结构。尾段位于火箭的尾部，是发动机的保护罩，还可作为动力系统导管、阀门等和部分电气系统设备的支承体。如果发射支点设在尾段，在地面发射时，将承受轴向力和侧风引起的弯矩、剪力；在井下发射时，将承受轴向力和外压力。若发射支点在其它部件上，尾段只承受大气飞行中的气动力。为了增加火箭的静稳定度，尾段上有时带有尾翼。上面级发动机保护罩，往往就是级间段，分离时随下面级脱掉。尾段的基本结构形式大多呈多开口半硬壳式圆筒或截锥形。

结构形式

箭体结构要承受在各种使用条件下的外载荷，因此，一定要做得足够结实。但是，为了提高火箭的性能，又要求箭体结构儘可能轻巧，因而通常採用质量小、结构强度高的材料，如铝合金和複合材料。另一方面就要寻求合理的结构形式。从结构形式上看，受力大的地方做得强些，受力小的地方可以做得弱一些。不怎幺受力的地方，只要保持结构形状就可以了。这样的结构显然就是一种空架子或空心结构，这就是飞机和火箭上常见的硬壳式、半硬壳式、整体壁板和夹层结构。

硬壳式结构

硬壳式结构由隔框和蒙皮组成(参见右图)。多数情况下隔框只起舱段之间连线作用，作用在箭体上的外载荷由蒙皮承受。因此，蒙皮厚度较大，故得名硬壳式结构。这种结构简单，製造方便，但不宜开舱口，尤其是不宜开大舱口，只适用于直径比较小的箭体。

半硬壳式结构

半硬壳式结构由桁条、隔框和蒙皮组成，蒙皮用点焊或铆接的方法与桁条、隔框连线在一起。蒙皮被桁条、隔框加强，因而提高了结构的承载能力。对于不开大舱口的箭体，这种结构对减小箭体质量有利。如果需要开大舱口，可在舱口的边缘处布置桁梁，用贯穿整个舱段的桁梁作主要承力构件。这种结构通常还有桁条，但是，桁条不是主要承力构件。通常也称这种结构为桁梁式结构或骨架蒙皮结构。

整体壁板结构

随着火箭飞行速度越来越高，气动载荷急剧增大，结构振动和气动加热问题越来越严重。为了解决这些问题，最初採用加粗桁条、加厚蒙皮的办法，后来乾脆把桁条和蒙皮做成一个整体，这就是整体壁板结构(参见右图)。可以採用挤压或锻造方法先製成整体壁板的毛胚，然后用化学腐蚀或机械切削的方法进行精细加工。这种结构的骨架粗细和壁板厚薄根据各处的实际载荷确定，能充分发挥结构的承载能力。另外，它的结构强度和刚度都比较大，质量较小。

夹层结构

夹层结构是在两层壁板中间充填夹芯製成的一种新型结构。它是人们观察蜂窝联想出的一种结构形式。右图示出了一种蜂窝夹层结构的翼面。另外还可以用泡沫塑胶或隔热材料作充填物製成夹层结构。夹层结构质量小、刚度大，因此，特别适用于製造高速飞行器的翼面、受空气动力和加热严重的舱段，如运载火箭的整流罩壳体等。

分离机构

分离机构是把各级火箭连线成一个整体，并把有效载荷安装在末级火箭上面的一种分离—连线装置。分离机构的功用和分类在整个飞行过程中，火箭按照预定的飞行程式要把已完成工作使命的部件，如助推器、整流罩、下面级火箭等及时抛掉，以减小结构死重，轻装前进。在太空飞行器进入预定的轨道时，太空飞行器要及时与末级火箭分开，以便独立、不受干扰地执行自己的航天任务。那些在火箭和飞弹上兼有连线、解锁和分离功能的机构统称为分离一连线装置，简称分离机构。按照连线和分离对象不同，分离机构分为星、箭分离机构，级间分离机构，抛罩机构以及诱饵和子弹头的释放机构等。按照连线结构和分离力的作用方向不同，分离机构可以划分为纵向分离机构和横向分离机构(参见右图)。

结构材料

製造现代火箭所用的材料，大都与飞机相同，主要有铝合金、合金钢、钛合金以及新型複合材料和非金属材料。下面简要介绍一下现代火箭和飞弹常用的材料(参见右图)。早期液体火箭的贮箱多採用铝—镁合金，这种合金焊接性能好，但强度较低。随着钣金成形和焊接技术的进步，现已广泛地採用铝—铜—镁和铝—锌—镁等高强度铝合金。给贮箱增压用的高压气瓶，多使用钛合金。 新型複合材料，如碳—碳、碳—酚醛、玻璃纤维—酚醛、石墨—酚醛、石墨—环氧和凯芙拉(Keviar)等，在新一代火箭的箭体结构上得到比较广泛的套用。例如，美国三叉戟飞弹大约65%的主要结构及辅助结构都採用了複合材料，包括用石墨—环氧製造仪器舱壳体、用碳—碳和碳—酚醛製造发动机喷管、用玻璃纤维—酚醛製造整流罩帽、用凯芙拉製造一、二和***发动机的壳体等，大大降低了飞弹的结构质量，提高了飞弹的性能。运载火箭的燃气舵在发动机的高温燃气流中工作，多採用石墨或钨、钼等难熔金属，通常还要对其表面进行特殊的工艺处理，如表面喷涂抗氧化涂层或渗透其他金属成分等。採用摇摆喷管和摇摆发动机的火箭和飞弹，为防止火焰辐射对尾舱设备的影响，箭体上还要装防烧蚀的柔性材料，如硅橡胶等。除上所述，为适应特殊的工作环境，火箭和飞弹还需要诸如耐高温和耐低温的润滑材料，真空密封脂、高级液压油、无机化合物防火腻子，防潮、防霉、防腐蚀油漆和涂料等非结构材料，以及用于发动机、箭体管路和阀门系统的非金属密封材料。因此，火箭的材料保障工作是研製航天运输系统的一项十分重要的工作。