空間飛行器設計

1、空間飛行器設計1第1頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.1 箭體結構的組成和功用 組成有效載荷整流罩、推進劑貯箱、輸送系統(tǒng)元件、儀器艙、級間段、發(fā)動機架和尾段等，有些大型火箭還有尾翼。 箭體結構是運載火箭的重要組成部分，其主要功用是裝置各分系統(tǒng)(如有效載荷、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等)，并按要求將其連接成結構緊湊、外形理想的整體。主要功用有：提供可靠的工作環(huán)境；承受操作和飛行中的外力；維持良好的氣動外形；保持火箭完整性。2第2頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六Saturn53第3頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六4第4頁，

2、共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六有效載荷整流罩 整流罩是有效載荷或末級火箭的包封部件，在大氣層飛行段對其起保護作用。一般為錐柱、錐柱錐硬殼式。推進器貯箱 為貯存推進劑的容器，是火箭的承力結構，占火箭體積的大部分。 按形狀分：圓柱、錐柱、截錐、球、環(huán)、扁豆形等。 按受力形式分：受力式、非受力（懸掛）式按貯箱相互關系分：獨立式、共底式。按結構特點分：硬殼式、半硬殼式和網格式。5第5頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.2 箭體的結構方案與結構型式8.2.1 推進劑貯箱結構 按受力形式分為: 承力式儲箱貯箱壁就是火箭的殼體，受內壓和各種飛行載荷。 非承力式儲

3、箱貯箱壁是貯箱外殼，主要受內壓載荷。6第6頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六 早期火箭如V-2，采用非承力式貯箱。 從20世紀50年代始，液體火箭廣泛采用承力（載）式貯箱。這是因為火箭殼體上的主要載荷軸壓，可由貯箱內的增壓壓力全部或絕大部分地抵消。承力式貯箱兼有貯箱壁和火箭外殼功能，結構質量減輕、火箭空間利用率提高。 現(xiàn)代火箭設計中可綜合使用，如火箭的一子級采用多管發(fā)動機，可將一種推進劑貯箱設計為承力式，傳遞推力并作為另一種推進劑貯箱吊掛的支柱。7第7頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六 貯箱的布局：串連布局：兩個貯箱沿箭軸方向縱向排列。中間以共底或箱

4、間段連接。并聯(lián)布局：貯箱沿箭軸方向縱向。(1)以某種推進劑貯箱作為中央儲箱，周圍環(huán)繞若干個另一種推進劑的小貯箱；(2)兩種推進劑貯箱是直徑相近的圓筒，對稱地捆綁（多用在大型火箭的一級和某些多級火箭的末級）。獨立懸掛：貯箱懸掛在支持構件（構架或另一種推進劑貯箱上）。8第8頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六9第9頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六10第10頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六貯箱的幾何形狀 分圓筒形和非圓筒形兩類。圓筒形：圓柱形筒壁，橢球、球或其它旋轉體為前后箱底。 可采用“共底”貯箱：優(yōu)點：增大充液空間，省一個底和箱

5、間段，減少箭體長度和質量。關鍵問題：防止推進劑滲漏或共底失穩(wěn)破壞導致的爆炸；對低溫推進劑，儲箱要作成夾層結構或采取絕熱措施。11第11頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六貯箱的幾何形狀 也可采用錐體貯箱。錐底貯箱：因為錐形薄殼承受軸向力的能力比橢球形薄殼高得多，可用于支持發(fā)動機，直接承受推力和關機沖擊載荷。非圓筒形：常用的有球形、環(huán)形（環(huán)柱形）貯箱。12第12頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.2.2 儀器艙的結構方案 功用：安裝控制系統(tǒng)、飛行測量系統(tǒng)、安全自毀系統(tǒng)等主要設備。 位置：對 多級火箭，一般在末級火箭上，位于有效載荷與貯箱之間。對單級火箭

6、，可以裝在火箭頂部、中部和下部，但要考慮發(fā)動機的影響。 受載：氣動載荷，氣動加熱。 結構：可以利用獨立艙段、箱間段、或者利用整流罩的包容空間。13第13頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.2.3 尾段、箱間段、級間段尾段保護各級發(fā)動機的殼段。 火箭垂直發(fā)射前，用尾段支承，一子級尾段 承受全箭質量和地面風引起的橫向載荷； 飛行時，上面級的尾段，要承受飛行載荷。箱間段連接兩個推進劑貯箱的殼段，受力與 上面級尾段類似。級間段連接級與級的連接殼段，除受飛行載 荷外，還受分離時的特殊載荷。14第14頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.2.4 串連火箭級間結

7、構方案熱分離：上面火箭點火以后，下面火箭再分離。級間連接解鎖后，靠上面級發(fā)動機的噴流吹開下面級火箭。特點：級間受高溫、高速氣流影響，要排焰。 采用桿式構架可以使燃氣流順利從桿間排出，并能參與火箭總體受力； 采用在級間結構底部開排焰孔方式，使噴流從中排出。串連火箭有冷、熱兩種分離方式。15第15頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六冷分離：下面級火箭先分離，上面級火箭的主發(fā)動機再點火。特點：級間結構工作條件好，但分離速度低、失控時間長、“分離碰撞”問題較熱分離情況嚴重；必須使上面火箭在點火前設法使液體推進劑沉底進入發(fā)動機。熱分離過程中，下面級前部結構需承受上面級噴流，噴流在下面

8、級貯箱外部滯止時形成高溫高壓，應采用玻璃鋼防熱底結構予以防護。16第16頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.2.5 箭體的結構型式 箭體是由薄板和加強筋組成的薄壁結構，它能很好地承受火箭在各種使用條件下的外載荷。硬殼式結構厚蒙皮隔框半硬殼式結構：梁式梁蒙皮隔框桁條式桁條蒙皮隔框網格式機械銑切的化學壁板 整體壁板新結構夾層結構17第17頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.3 箭體結構材料 現(xiàn)代火箭所用材料大都與飛機相同。主要有：鋁合金、合金鋼、鈦合金、新型復合材料和非金屬材料。 早期液體火箭貯箱采用鋁-鎂合金，其焊接性能好，但強度較低。現(xiàn)廣泛采用A

9、l-Cu-Mg和Al-Zn-Mg高強度鋁合金；而貯箱增壓用的高壓氣瓶多用鈦合金。18第18頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六 近10多年以來，火箭結構上常用的輕型合金未出現(xiàn)高性能的新材料，其發(fā)展仍為挖潛。而Al-Li,Mg-Li, 鈦合金等比強度高、比剛度高、韌性好，很適合承受軸向壓縮載荷的薄壁結構，并實現(xiàn)質量減輕，是今后的應用研究方向之一。 美國X-33就應用了含Li2%-3%的Al-Li合金。 19第19頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六 復合材料是火箭和其他飛行器材料的發(fā)展方向。在火箭結構上，復合材料應用比重日益增長，在有效載荷支撐段、儀器艙、

10、級間段和整流罩等處不同程度使用。 美國“三叉戟”導彈應用了65%的新型復合材料。 儀器艙殼體石墨環(huán)氧； 發(fā)動機噴管碳-碳、碳-酚醛； 整流罩玻纖-酚醛； 芯級發(fā)動機殼體凱芙拉（Kevla）。20第20頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.4 分離系統(tǒng)種類：級間分離；助推器與火箭分離；有效載荷整流荷罩與火箭分離；有效載荷（衛(wèi)星、彈頭）與火箭（導彈）分離；冷發(fā)射時尾罩與導彈分離等。要求：分離前保證兩分離體可靠地連接，分離時保證分離過程中或分離之后，不對繼續(xù)飛行體的正常飛行有影響。21第21頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六圖6-4 多級火箭分離示意圖22

11、第22頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.4.1 分離系統(tǒng)組成 分離系統(tǒng)按其功能主要由三部分組成： 連接解鎖裝置 分離沖量裝置 火工品引爆裝置。23第23頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六一、連接解鎖裝置1. 無碎片爆炸螺栓 用于多點連接的連接解鎖裝置。 螺桿體內腔的炸藥引爆后，或者剪斷銷釘，或者使螺桿削弱槽斷裂，實現(xiàn)兩分離體解鎖。特點：結構簡單、裝配和使用方便。但對于大直徑運載火箭，需要的數量較多。如采用電傳爆引爆方式，分離可靠性較低、同步性較差、解鎖時沖擊載荷較大。24第24頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六25第25頁，

12、共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六26第26頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六包帶連接解鎖裝置1包帶；2V型塊；3，4上、下分離體27第27頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六2. 炸藥索a) 聚能炸藥索圖8-7 聚能炸藥索解鎖裝置28第28頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六b) 封閉炸藥索圖8-8 封閉炸藥索解鎖裝置29第29頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六 常用的分離沖量裝置有： 1）壓縮螺旋彈簧組件。 2）氣動作動筒。 3）火藥作動筒。 4）固體裝藥的分離火箭。二、分離沖量裝置30第

13、30頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六1. 壓縮螺旋彈簧組件 利用壓縮彈簧釋放的能量使兩分離體分開。特點：設計制造簡單，彈簧力預測較準確，可靠性高，無污染，分離沖擊載荷小，成本低。缺點：不適宜于要求分離沖量大的級間分離。31第31頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六2.氣動作動筒組成：作動筒、氣源、電爆閥門。利用高壓氣體推動作動筒產生推力，將兩體分開。特點：沖擊載荷小，分離和緩。分離時間長，分離裝置復雜，使用不方便。32第32頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六3.火藥作動筒 利用火藥爆炸產生的高壓燃燒氣推動作動筒。 特點：結構簡單

14、、緊湊、質量小、使用方便。 但分離沖擊載荷大。33第33頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六4.分離火箭方向：正推、反推、側（橫）推正推：裝在上面級，使上面級加速，并使上面級 儲箱內的液體推進劑沉低。反推：安裝在被拋掉的分離體上，使分離體減速。用于級間分離，導彈頭體分離。不宜于星箭分離。側推：通常用于助推器與火箭芯級分離。也可用于頭體分離。34第34頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六5.冷氣噴流裝置 利用攜帶的干凈冷氣（氦、氮），通過專用噴管噴出產生推力。 特點：分離力小、沖擊載荷小、無污染，適宜于要求無污染的星箭分離。35第35頁，共51頁，2022

15、年，5月20日，2點18分，星期六三、引爆裝置 收到分離指令后，采用電爆管引爆連接解鎖裝置或分離沖量裝置。方式： 電發(fā)火引爆：給每一個電爆管供電，使其引爆。 非電激發(fā)傳爆：先使一個電爆裝置引爆，通過傳爆支管將爆轟波同時傳給各路封閉導爆索，引爆起爆器，使連接解鎖裝置解鎖或使分離火箭點火。36第36頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.4.2 級間分離系統(tǒng)1. 串連式火箭的級間分離a) 級間熱分離圖8-9 級間熱分離多級火箭的聯(lián)結有串聯(lián)、并聯(lián)、混合三種形式。 熱分離的基本程序是：啟動第二級發(fā)動機，關閉第一級發(fā)動機，起爆炸斷聯(lián)結件。 37第37頁，共51頁，2022年，5月20

16、日，2點18分，星期六b) 級間冷分離圖8-10 級間冷分離又稱減速分離。分離指令程序：級間聯(lián)結件爆破斷開，啟動第一級的制動火箭或其他制動裝置，啟動第二級的火箭發(fā)動機。級間分離機構組件少、輕，分離平穩(wěn)。但這種分離方式對于控制系統(tǒng)的精度要求較高。 38第38頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六2. 并連式火箭的級間分離采用輔助分離沖量裝置分離圖8-11 采用分離火箭的助推器分離b) 利用慣性力作用分離39第39頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.4.3 整流罩分離1. 整體軸向分離2. 下端活動鉸鏈約束側向轉動分離3. 無污染炸藥索側向平推分離40第4

17、0頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六圖8-12 下端鉸鏈約束側向轉動分離系統(tǒng)41第41頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六圖8-13 下端鉸鏈約束側向轉動分離過程42第42頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六圖8-14 衛(wèi)星整流罩無污染炸藥索側向平推分離系統(tǒng)43第43頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六8.4.4 星箭(頭體）分離系統(tǒng)8.4.5 星箭分離1.彈射分離1) 氣動彈射裝置44第44頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六圖6-15 氣動彈射裝置組成示意圖 45第45頁，共51頁，2022年，5月20日，2點18分，星期六2. 火藥彈射裝置圖8-16 氣動彈射裝置組成示意圖