航天概論第五章課件

航天概論第五章飛行器結(jié)構(gòu)★什么是飛行器結(jié)構(gòu)？·它是飛行器的主體。·將飛行器上各個分系統(tǒng)聯(lián)結(jié)和組成一個完整的整體，為它們提供支承作用和可靠的工作環(huán)境，承受地面操作和飛行中的外載荷，保證一定的剛度和良好的外形，維持飛行器作為一個整體的完整性。

5.1

運(yùn)載火箭的箭體結(jié)構(gòu)5.1.1箭體結(jié)構(gòu)布局和組成

布局：（1）運(yùn)載火箭構(gòu)造特點(diǎn)：·一般采用液體火箭。·采用二級或三級火箭。（2）級間的結(jié)合方式：

·串聯(lián)式、并聯(lián)式（捆綁式）和混合式三種類型。

·并聯(lián)式——各級火箭圍繞芯級（末級）火箭周圍橫向連接，優(yōu)點(diǎn)：長度短，發(fā)射時可多個火箭同時點(diǎn)火；缺點(diǎn)：橫向尺寸大，氣動阻力大，發(fā)射設(shè)備復(fù)雜?！せ旌鲜健?lián)和并聯(lián)同時使用的組合方式。兼有上述兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，是大運(yùn)載能力火箭常用的布局方式。（3）級間的分離方式·冷分離和熱分離兩種。冷分離——兩級火箭先分開，然后上面級發(fā)動機(jī)點(diǎn)火。熱分離——上面級發(fā)動機(jī)先點(diǎn)火，然后再使兩級火箭分離。

箭體結(jié)構(gòu)的組成：·頭部（有效載荷）·頭部整流罩·推進(jìn)劑貯箱·儀器艙·箱間段·級間段·發(fā)動機(jī)支架·尾段推進(jìn)劑貯箱：·包括氧化劑箱和燃燒劑箱。·功能：貯存推進(jìn)劑，同時還是火箭的承力結(jié)構(gòu)。箱間段：·氧化劑箱和燃燒劑箱之間的連接部段?！て疬B接和承力作用。·內(nèi)部空間安裝推進(jìn)系統(tǒng)的增壓氣瓶、管路和閥門以及安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自毀裝置和遙測儀器等。儀器艙：·安裝陀螺慣性平臺、彈上計算機(jī)等控制儀器、遙測儀器和溫度調(diào)節(jié)設(shè)備等；·承受頭部傳來的軸力和彎矩。級間段：·多級火箭級間的連接部件，起級間連接和承力作用?！ぴO(shè)有分離機(jī)構(gòu)，在后面級完成任務(wù)后將后面級分離拋棄。·結(jié)構(gòu)形式與分離方式有關(guān)。發(fā)動機(jī)支架：·安裝發(fā)動機(jī)并將推力傳給推進(jìn)劑貯箱的承力構(gòu)件。·發(fā)動機(jī)零、組件安裝的支持部件。尾段：·火箭豎立在發(fā)射臺上的承力部件；·一級發(fā)動機(jī)的保護(hù)罩?！び形惨頃r，還是尾翼的支持部件。半硬殼式結(jié)構(gòu)——由蒙皮、縱向和橫向的加勁件組成的薄壁結(jié)構(gòu)。·縱向的加勁件有桁條和梁；·橫向加勁件有隔框和肋；·由鉚接、焊接和膠接等方式連接。

·半硬殼式結(jié)構(gòu)蒙皮不是很強(qiáng)，不能單獨(dú)承受正應(yīng)力，而是與鉚接在蒙皮上的桁條共同承受正應(yīng)力。

硬殼式結(jié)構(gòu)——由蒙皮和橫向加勁件組成的薄壁結(jié)構(gòu)?！ぶ饕蓺んw（蒙皮）承受正應(yīng)力，一般不設(shè)縱向構(gòu)件?！ざ嘤糜谥睆捷^小的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。整體壁板式結(jié)構(gòu)——采用機(jī)械銑切、化學(xué)銑切、精密鑄造等工藝方式將蒙皮和加勁件做成一體的薄壁結(jié)構(gòu)。

·除了如半硬殼式結(jié)構(gòu)一樣由縱向和橫向加勁組成正置的正交加勁網(wǎng)格，還可以做成斜置的對稱方形或菱形加勁網(wǎng)格?！畋”诮Y(jié)構(gòu)之外，還有夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等型式。

·殼段——連接前、后底之間的直筒段。結(jié)構(gòu)形式有光筒殼和加勁殼兩種?！し阑伟濉刃畏阑伟?、環(huán)向防晃板。（2）干殼段結(jié)構(gòu)·包括頭部整流罩、儀器艙、箱間段、級間段、尾段等。

頭部整流罩：·由端頭帽、前錐段、圓筒段、倒錐段和縱向解鎖機(jī)構(gòu)組成?！ざ祟^帽承受較大的氣動壓力和氣動加熱作用，通常采用浸樹脂的玻璃布成型，鉚接鋁合金端框?！で板F段、圓筒段和倒錐段等采用桁條、蒙皮鉚接的半硬殼式結(jié)構(gòu)。

·前錐段和圓筒段受氣動加熱作用，需采取適當(dāng)?shù)姆罒岽胧?/p>

儀器艙：·為各種儀器設(shè)備的正常工作提供良好的環(huán)境，需要具備隔熱減震等功能?！ね庑瓮ǔ殄F形、圓柱形殼體或上錐形、下柱形組合的殼體?！んw結(jié)構(gòu)由蒙皮、前后端框、中間框、梁、桁條、艙口蓋等組成主體結(jié)構(gòu)。內(nèi)壁有儀器的安裝支架、安裝梁、爆炸螺栓盒等零組件。外邊噴涂防熱涂層或粘貼軟木層。·材料為高強(qiáng)度硬鋁合金或碳/環(huán)氧復(fù)合材料。級間段：·結(jié)構(gòu)形式取決于分離方式?！だ浞蛛x的級間段一般采用半硬殼式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式與箱間段沒有多大區(qū)別，只是增加了分離機(jī)構(gòu)?！岱蛛x的級間段需要在點(diǎn)火后分離前的一段時間內(nèi)使火焰安全排出。通常采用

半硬殼式結(jié)構(gòu)和桿系結(jié)構(gòu)組合

的結(jié)構(gòu)形式。

尾段：·由蒙皮、桁條、隔框鉚接而成的半硬殼式結(jié)構(gòu)?！榱颂岣呓Y(jié)構(gòu)的效率，往往采用橫向隔框在蒙皮內(nèi)，縱向桁條在蒙皮外的結(jié)構(gòu)形式。·由于發(fā)動機(jī)高溫噴流的輻射作用，尾艙底部必須采取防熱措施。5.1.3分離和解鎖機(jī)構(gòu)·火箭上兼有連接、解鎖和分離功能的機(jī)構(gòu)或組件?！み\(yùn)載火箭的分離機(jī)構(gòu)包括串聯(lián)式級間分離機(jī)構(gòu)、并聯(lián)式級間分離機(jī)構(gòu)、頭罩分離機(jī)構(gòu)和有效載荷分離機(jī)構(gòu)等。·對分離機(jī)構(gòu)的基本要求是：*分離前確?？煽康倪B接，*分離時確?？煽康胤蛛x，*分離過程和分離后保證分離體不發(fā)生碰撞，保證繼續(xù)飛行體正常工作，無過大的振動、沖擊及環(huán)境污染等。

冷分離：·完成分離動作后上面級發(fā)動機(jī)才啟動工作?！し蛛x力是借助安裝在上面級的輔助加力火箭或下面級的反推火箭實(shí)現(xiàn)的?！そ怄i機(jī)構(gòu)也采用爆炸螺栓或柔性爆炸索?！し蛛x過程干擾小，級間結(jié)構(gòu)比較簡單，重量小。但上面級的失控時間較長，初始干擾大。（2）并聯(lián)式級間分離機(jī)構(gòu)利用氣動阻力實(shí)現(xiàn)分離的并聯(lián)式分離機(jī)構(gòu)：（3）

頭部整流罩分離機(jī)構(gòu)·向前縱向分離、旋轉(zhuǎn)式分離和無污染側(cè)向平推分離三種形式。向前縱向分離方式：·頭部整流罩整體沿火箭縱軸向前推出，·超過有效載荷頂端后，頭罩偏離飛行軌道?！そY(jié)構(gòu)形式類似于級間串聯(lián)冷分離，·縱向分離力和使頭罩偏離軌道的橫向力由安裝在頭罩上的分離火箭提供，·解鎖機(jī)構(gòu)采用爆炸螺栓或爆炸索。旋轉(zhuǎn)式分離方式：·頭部整流罩由兩瓣組成，·兩個半罩之間的縱向分離面由多個爆炸螺栓或爆炸索連接；·整流罩下端由滑動鉸鏈與箭體連接?！し蛛x力由安裝在不同位置的兩組彈簧提供，主彈簧組安裝在整流罩與箭體結(jié)合面附近的罩體內(nèi)側(cè)，輔助彈簧安裝在整流罩上端縱向分離面處。

無污染側(cè)向平推分離方式：·兩個半罩之間的縱向分離面由無污染炸藥索分離插接頭連接；·半罩下端框仍采用爆炸螺栓或爆炸索等普通解鎖裝置與火箭箭體連接。·分離過程中和分離結(jié)束后，爆炸產(chǎn)生的燃?xì)馐冀K封閉在氣囊和衰減管內(nèi)，不對有效載荷產(chǎn)生污染。（4）有效載荷分離機(jī)構(gòu)·彈射分離和減速分離兩種形式?！椛浞蛛x利用彈簧或燃?xì)庾鲃悠鲗⒂行лd荷彈出；·連接解鎖裝置為帶有爆炸螺栓的包帶?！し蛛x前，在包帶緊箍力作用下將兩分離體連接在一起?！し蛛x時引爆爆炸螺栓，包帶解鎖松開，同時受壓縮的彈簧伸長，或者燃?xì)庾鲃悠髦械幕鹚廃c(diǎn)燃，將有效載荷彈射出去，實(shí)現(xiàn)與末級火箭分離。

減速分離（制動分離）：·利用安裝在末級火箭上的反推火箭或噴流裝置，使末級火箭減速來實(shí)現(xiàn)分離的?！みB接解鎖裝置一般也采用包帶。在爆炸螺栓解鎖時點(diǎn)燃反推火箭?！ば恰⒓撻_后，隨著反推火箭推力加大，有效載荷逐漸與末級火箭拉開距離，實(shí)現(xiàn)分離。5.1

無人航天器結(jié)構(gòu)

5.2.1航天器結(jié)構(gòu)的功能和特點(diǎn)功能：·將航天器上各分系統(tǒng)連接組合成一個整體，承受載荷，提供支承作用和保障工作環(huán)境?！ず教炱魃线€有各種可活動的結(jié)構(gòu)部件，包括分離機(jī)構(gòu)和展開組件。·大多采用模塊式設(shè)計。一般由有效載荷艙、服務(wù)艙、推進(jìn)艙、天線和太陽電池陣等模塊組成；·要求既能一次性地承受發(fā)射時的力學(xué)環(huán)境，又能長期承受軌道上的空間環(huán)境。主要特點(diǎn)：（1）在離地球表面數(shù)百公里以上的空間飛行，空氣阻力可忽略不計，不要求做成流線型，外形主要考慮使用要求；（2）空間運(yùn)行軌道環(huán)境對航天器的作用是長期的，貫穿整個使用壽命。選材要求耐真空、耐高低溫交變、耐空間粒子和紫外線輻射，并且滿足真空環(huán)境下材料升華出氣率的要求；特別注意考慮溫度變化引起的熱應(yīng)力；（3）為攜帶更多的有效載荷，在保證剛度和強(qiáng)度要求的條件下，重量最輕。為此，要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和采用先進(jìn)的材料和工藝；（4）載人飛船返回艙、返回式衛(wèi)星再入地球大氣層時，要經(jīng)受嚴(yán)重的氣動加熱環(huán)境，要求采取熱防護(hù)措施保護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部儀器設(shè)備。5.2.2航天器的結(jié)構(gòu)形式

（1）航天器的本體結(jié)構(gòu)·本體結(jié)構(gòu)的形式主要從使用功能要求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計；·姿態(tài)控制方式和運(yùn)行軌道也是決定結(jié)構(gòu)形式的重要因素。*自旋和雙體自旋衛(wèi)星，一般采用圓柱體、棱柱體等回轉(zhuǎn)體外形；*三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，則采用六面體箱式外形。*地球同步軌道衛(wèi)星，由于變軌和軌道保持的需要，必須考慮遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)和推進(jìn)劑貯箱的安裝，采用承力筒加箱式結(jié)構(gòu)或構(gòu)架式加箱式結(jié)構(gòu)。*低軌道衛(wèi)星則主要考慮功能設(shè)備的安裝要求，如哈勃望遠(yuǎn)鏡的本體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料整體構(gòu)架，以保證軸向無熱變形。國際通信衛(wèi)星-Ⅵ：·裝有遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)的地球同步軌道衛(wèi)星，采用承力圓筒殼結(jié)構(gòu)。圓筒直徑2.4m，筒高2.82m，總高5.3m?！榱吮ＷC衛(wèi)星天線相對地球“靜止”，又能利用繞軸線自旋穩(wěn)定，衛(wèi)星采用雙體自旋穩(wěn)定。

·圓筒外壁貼有45812片太陽能電池，組成太陽電池陣給衛(wèi)星供電?！闇p輕結(jié)構(gòu)重量，圓筒采用玻璃鋼面板和鋁蜂窩夾芯的夾層結(jié)構(gòu)。波束天線反射器和喇叭天線也都采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。我國通信衛(wèi)星系列公用平臺：·中心承力筒加箱形壁板結(jié)構(gòu)，由通信艙、服務(wù)艙、推進(jìn)艙、天線和太陽電池陣等5個模塊組成。·推進(jìn)艙為中心筒承力結(jié)構(gòu)，高度1983mm，采用碳纖維復(fù)合材料波紋筒，內(nèi)裝推進(jìn)劑貯箱?！ぶ車商祭w維復(fù)合材料面板和鋁蜂窩夾心的夾層板構(gòu)成六面體箱式外形結(jié)構(gòu)。我國對地觀察衛(wèi)星系列公用平臺·結(jié)構(gòu)形式為中心承力筒+板+構(gòu)架結(jié)構(gòu)，由有效載荷艙、服務(wù)艙和太陽電池陣3個模塊組成。·中心承力筒采用碳纖維復(fù)合材料薄壁加勁圓柱殼結(jié)構(gòu)?！ぶ行某辛ν采线B接中心承力構(gòu)架，中心構(gòu)架采用碳纖維復(fù)合材料矩形管和鋁合金接頭。·承力筒下端與運(yùn)載火箭連接的轉(zhuǎn)接錐采用鋁合金蒙皮桁條加勁殼結(jié)構(gòu)。美國“旅行者”號深空探測器：·探測器為環(huán)狀10邊形結(jié)構(gòu)，裝有直徑3.7m的對地球定向的大型高增益天線?！ぶ髋撍闹苡?6個小噴管，用來控制飛行姿態(tài)和修正飛行軌道?！び^察儀器裝在可轉(zhuǎn)動的掃描平臺上。為了使觀察儀器有寬廣的視野，掃描平臺安裝在遠(yuǎn)離主艙的一個支架上。·另一根遠(yuǎn)離主艙13m長的支架上裝有測量木星磁場的兩臺磁強(qiáng)計。遠(yuǎn)離主艙的原因是為了避免主艙金屬結(jié)構(gòu)影響磁強(qiáng)計的測量精度。

（2）天線結(jié)構(gòu)

·天線的基本形式有固定式天線和展開式天線兩大類。

固定式天線：