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什麼是火箭結構

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火箭各個受力和支承構件的總成。它的作用是安裝連線有效載荷、儀器裝置和動力裝置,貯存推進劑,承受地面操作和飛行中的外力,維持良好的氣動外形,保持火箭的完整性。火箭的結構基本上是一個薄壁圓柱殼體,由蒙皮、縱向和橫向的加強件構成。早期火箭有較大的鰭狀穩定面和控制面,後來靠改變火箭發動機噴出的燃氣流的方向來穩定和控制火箭飛行,箭體上的鰭狀面漸被取消。火箭的總體結構安排(又稱部位安排)是在方案設計階段確定的(見火箭設計)。

什麼是火箭結構

火箭結構效能的一個重要標誌是結構係數 λ,可表示為:λ=G、/(G、0-G、1),式中G、 為第n、級火箭的結構重量,G、0為第n、級火箭的起飛重量,G、1為第n、級火箭的有效載荷。對於大小和型別相同的火箭,結構係數λ越小,表示結構設計水平越高。火箭推進方式不同,其工作原理和系統組成相差很大,主要結構也有所不同,例如核火箭在結構上以及材料的應用上需要考慮核防護、核汙染、高溫冷卻等要求。

液體火箭結構:

一般由頭部、頭部整流罩、氧化劑貯箱和燃料(燃燒劑)貯箱、儀器艙、級間段、發動機推力結構、尾艙等部分組成(圖1),需要分離的部位有分離連線裝置。

什麼是火箭結構 第2張

頭部

位於火箭的頂端。頭部可以是戰鬥部(見導彈彈頭),也可以是航天器。

頭部整流罩

具有一定剛度的可拋擲薄壁結構。它是衛星或運載火箭末級的包封部件(圖2 ),在大氣層內飛行時保護衛星或最後一級火箭,承受氣動載荷和熱流。整流罩一般具有良好的無線電波穿透性,同時結構重量小,有足夠的剛度,在氣動外形上具有較小的抖振載荷和迎面阻力。頭部整流罩的外形和結構隨運載火箭運送的有效載荷大小和形狀而異。罩內有足夠的空間,以容納一個或數個衛星或更多的實驗物體。頭部整流罩通常由兩個半扇(或多瓣)沿縱向分離面對合而成。每扇整流罩固定在端部圓周結合面上,一般採用半硬殼式結構或複合材料結構。半硬殼結構的骨架承受主要載荷,蒙皮維持光滑的氣動外形,並把空氣動力傳遞到骨架上。整流罩的分離系統多采用簡單的爆炸螺栓(或爆炸索)與彈簧分離裝置組合,也有采用氣體分離裝置的。

什麼是火箭結構 第3張

推進劑貯箱

貯箱佔火箭體積的大部分,除了貯存推進劑外,還是火箭的承力結構(圖3)。主要承受軸向載荷、彎矩和內壓力。貯箱一般是薄壁結構,壁厚小於或等於箱體曲率半徑的二十分之一,箱壁結構形式取決於載荷型別。主要結構形式有:半硬殼結構,多用於承受大軸向載荷的箱壁;網路結構,多用於承受較小軸向載荷的箱壁;硬殼結構,多用於承受充壓載荷的箱壁。為增加結構穩定性,貯箱通常採用充壓方式。推進劑貯箱一般採用鋁鎂或鋁銅鋅的合金材料,也可以採用不鏽鋼或其他合金材料製作。箱底外形對貯箱長度影響較大,有橢球形底、修正的橢球形底(橢球與球形的組合)、環球形底(圓環與球形組合)、環錐形底(圓環與圓錐組合)、半球形底等。箱底的結構形式分為兩類:單層底多用作貯箱的上、下底;蜂窩夾層底多用作貯箱的共底,將氧化劑與燃料隔開(對於低溫推進劑還起隔熱作用)。低溫推進劑貯箱還需要採取充分的隔熱措施,以減少液體蒸發。隔熱有多種方法,廣泛採用的是泡沫塑料隔熱結構,分為貯箱內層隔熱和貯箱外層隔熱兩種形式。此外,還有外層氦氣吹除的泡沫隔熱結構,用氦氣(沸點-269°C)噴吹隔熱層與箱壁之間的空間,防止空氣冷凝。

什麼是火箭結構 第4張

儀器艙

用以安裝飛行控制儀器、遙測儀器和熱調節裝置,承受軸向載荷和彎矩。按所處部位不同,儀器艙有截錐和圓筒兩種形式。儀器艙多采用半硬殼結構。直徑較小的火箭採用整體網路結構。壁板可用鑄造、機械銑切、化學銑切等方法制成。然後用螺接、焊接的方法將壁板組裝成艙體。為了便於安裝檢查和操作,在艙體上開有一些艙口,並配有快速連線艙口蓋。儀器艙的結構材料一般用普通硬鋁、超硬鋁、複合材料和鈦合金等。儀器通過安裝支架或安裝座板固定在儀器艙壁的桁條或框上。安裝座板一般設計成散熱器,以保持正常的工作環境。

級間段

級間段是多級火箭級間的連線部件,其結構形式與分離方式有關。冷分離方式的級間段採用半硬殼結構;熱分離方式的級間段可採用合金鋼管焊接成形的杆繫結構,便於上面級發動機燃氣流順暢排出(圖4);也可採用開有排氣艙口的網路結構。

什麼是火箭結構 第5張

發動機推力結構

安裝發動機並把推力傳給貯箱的承力構件。它還是發動機零、元件的安裝支援部件(圖5 )。大型運載火箭發動機推力結構為杆繫結構或半硬殼結構,後者有圓筒形和截錐形兩種形式,它們能均勻地傳遞推力。

什麼是火箭結構 第6張

尾艙

位於火箭的尾部。是火箭豎立在發射臺上的承力構件,又是發動機的保護罩。當火箭有尾翼時,它是尾翼的支援部件。尾艙一般是多開口半硬殼圓筒形(或截錐形)鉚接結構。尾艙上如有發射支點,它還承受軸向載荷和側風引起的彎矩和剪力。發射支點如在火箭的其他部件上,尾艙則只承受在大氣層飛行時的空氣動力載荷,所以重量較小。尾艙的結構材料一般選用普通硬鋁和超硬鋁,尾艙底部由於溫度較高必須採用防熱材料,如耐熱不鏽鋼、石墨、複合材料等。在一些火箭的尾艙上裝有4個尾翼,用以增加火箭的靜穩定性,改善火箭的穩定控制性能。

固體火箭結構:

與液體火箭結構類似,差別在於固體火箭的箭體同時又是發動機的殼體,推進劑裝於其內(圖6)。固體火箭的運動元件較少,結構簡單。固體火箭的比沖和燃燒時間有限,在運載能力相同時固體火箭比液體火箭所需級數多。

什麼是火箭結構 第7張

固體火箭發動機結構由前封頭、外殼、裝藥、噴管裝置和後封頭等部分組成。封頭、外殼和噴管裝置構成發動機燃燒室,固體推進劑在其中燃燒。燃燒室能承受1~20兆帕(約10~200大氣壓)高壓和 2500~3500K高溫,並具有足夠的動強度。前封頭上通常裝有點火裝置。前封頭是薄壁結構,用金屬製成,形狀有球形、橢球形或環-球形。大型固體火箭發動機常分段製造,靠增加段數獲得所需的推力,外殼為薄壁殼體,用合金鋼、鋁合金、複合材料製成。外殼內壁有浸膠石棉布隔熱層。外殼外表面也塗有很薄的隔熱層,以減小氣動加熱的影響。噴管裝置(單噴管或多噴管)固定或鉸接在火箭發動機後封頭上,在控制系統操縱下使燃氣流偏轉,產生控制力矩。噴管裝置在高溫條件下工作,經受燃燒產物的強烈侵蝕,需要採用耐熱材料。

彈道導彈結構:

導彈在結構上與火箭基本相同。一般在導彈的基礎上稍加修改即可用以發射人造衛星和飛船。導彈的貯存期較長,對工作環境的適應性要求更高

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