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1第8讲运载火箭的箭体结构28.1箭体结构的组成和功用组成——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，有些大型火箭还有尾翼。箭体结构是运载火箭的重要组成部分，其主要功用是装置各分系统(如有效载荷、控制系统、动力系统和测量系统等)，并按要求将其连接成结构紧凑、外形理想的整体。主要功用有：提供可靠的工作环境；承受操作和飞行中的外力；维持良好的气动外形；保持火箭完整性。3Saturn545有效载荷整流罩整流罩是有效载荷或末级火箭的包封部件，在大气层飞行段对其起保护作用。一般为锥—柱、锥—柱—锥硬壳式。推进器贮箱为贮存推进剂的容器，是火箭的承力结构，占火箭体积的大部分。按形状分：圆柱、锥—柱、截锥、球、环、扁豆形等。按受力形式分：受力式、非受力（悬挂）式按贮箱相互关系分：独立式、共底式。按结构特点分：硬壳式、半硬壳式和网格式。68.2箭体的结构方案与结构型式8.2.1推进剂贮箱结构按受力形式分为:承力式储箱——贮箱壁就是火箭的壳体，受内压和各种飞行载荷。非承力式储箱——贮箱壁是贮箱外壳，主要受内压载荷。7早期火箭如V-2，采用非承力式贮箱。从20世纪50年代始，液体火箭广泛采用承力（载）式贮箱。这是因为火箭壳体上的主要载荷——轴压，可由贮箱内的增压压力全部或绝大部分地抵消。承力式贮箱兼有贮箱壁和火箭外壳功能，结构质量减轻、火箭空间利用率提高。现代火箭设计中可综合使用，如火箭的一子级采用多管发动机，可将一种推进剂贮箱设计为承力式，传递推力并作为另一种推进剂贮箱吊挂的支柱。8贮箱的布局：串连布局：两个贮箱沿箭轴方向纵向排列。中间以共底或箱间段连接。并联布局：贮箱沿箭轴方向纵向。(1)以某种推进剂贮箱作为中央储箱，周围环绕若干个另一种推进剂的小贮箱；(2)两种推进剂贮箱是直径相近的圆筒，对称地捆绑（多用在大型火箭的一级和某些多级火箭的末级）。独立悬挂：贮箱悬挂在支持构件（构架或另一种推进剂贮箱上）。91011贮箱的几何形状分圆筒形和非圆筒形两类。圆筒形：圆柱形筒壁，椭球、球或其它旋转体为前后箱底。可采用“共底”贮箱：优点：增大充液空间，省一个底和箱间段，减少箭体长度和质量。关键问题：防止推进剂渗漏或共底失稳破坏导致的爆炸；对低温推进剂，储箱要作成夹层结构或采取绝热措施。12贮箱的几何形状也可采用锥体贮箱。锥底贮箱：因为锥形薄壳承受轴向力的能力比椭球形薄壳高得多，可用于支持发动机，直接承受推力和关机冲击载荷。非圆筒形：常用的有球形、环形（环柱形）贮箱。138.2.2仪器舱的结构方案功用：安装控制系统、飞行测量系统、安全自毁系统等主要设备。位置：对多级火箭，一般在末级火箭上，位于有效载荷与贮箱之间。对单级火箭，可以装在火箭顶部、中部和下部，但要考虑发动机的影响。受载：气动载荷，气动加热。结构：可以利用独立舱段、箱间段、或者利用整流罩的包容空间。148.2.3尾段、箱间段、级间段尾段—保护各级发动机的壳段。火箭垂直发射前，用尾段支承，一子级尾段承受全箭质量和地面风引起的横向载荷；飞行时，上面级的尾段，要承受飞行载荷。箱间段——连接两个推进剂贮箱的壳段，受力与上面级尾段类似。级间段——连接级与级的连接壳段，除受飞行载荷外，还受分离时的特殊载荷。158.2.4串连火箭级间结构方案热分离：上面火箭点火以后，下面火箭再分离。级间连接解锁后，靠上面级发动机的喷流吹开下面级火箭。特点：级间受高温、高速气流影响，要排焰。采用杆式构架可以使燃气流顺利从杆间排出，并能参与火箭总体受力；采用在级间结构底部开排焰孔方式，使喷流从中排出。串连火箭有冷、热两种分离方式。16冷分离：下面级火箭先分离，上面级火箭的主发动机再点火。特点：级间结构工作条件好，但分离速度低、失控时间长、“分离碰撞”问题较热分离情况严重；必须使上面火箭在点火前设法使液体推进剂沉底进入发动机。热分离过程中，下面级前部结构需承受上面级喷流，喷流在下面级贮箱外部滞止时形成高温高压，应采用玻璃钢防热底结构予以防护。178.2.5箭体的结构型式箭体是由薄板和加强筋组成的薄壁结构，它能很好地承受火箭在各种使用条件下的外载荷。硬壳式结构——厚蒙皮＋隔框半硬壳式结构：梁式——梁＋蒙皮＋隔框桁条式——桁条＋蒙皮＋隔框网格式——机械铣切的化学壁板整体壁板新结构——夹层结构188.3箭体结构材料现代火箭所用材料大都与飞机相同。主要有：铝合金、合金钢、钛合金、新型复合材料和非金属材料。早期液体火箭贮箱采用铝-镁合金，其焊接性能好，但强度较低。现广泛采用Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg高强度铝合金；而贮箱增压用的高压气瓶多用钛合金。19近10多年以来，火箭结构上常用的轻型合金未出现高性能的新材料，其发展仍为挖潜。而Al-Li,Mg-Li,β钛合金等比强度高、比刚度高、韧性好，很适合承受轴向压缩载荷的薄壁结构，并实现质量减轻，是今后的应用研究方向之一。美国X-33就应用了含Li2%-3%的Al-Li合金。20复合材料是火箭和其他飞行器材料的发展方向。在火箭结构上，复合材料应用比重日益增长，在有效载荷支撑段、仪器舱、级间段和整流罩等处不同程度使用。美国“三叉戟”导弹应用了65%的新型复合材料。仪器舱壳体—石墨环氧；发动机喷管—碳-碳、碳-酚醛；整流罩—玻纤-酚醛；芯级发动机壳体—凯芙拉（Kevla）。218.4分离系统种类：级间分离；助推器与火箭分离；有效载荷整流荷罩与火箭分离；有效载荷（卫星、弹头）与火箭（导弹）分离；冷发射时尾罩与导弹分离等。要求：分离前保证两分离体可靠地连接，分离时保证分离过程中或分离之后，不对继续飞行体的正常飞行有影响。22图6-4多级火箭分离示意图238.4.1分离系统组成分离系统按其功能主要由三部分组成：连接解锁装置分离冲量装置火工品引爆装置。24一、连接解锁装置1.无碎片爆炸螺栓用于多点连接的连接解锁装置。螺杆体内腔的炸药引爆后，或者剪断销钉，或者使螺杆削弱槽断裂，实现两分离体解锁。特点：结构简单、装配和使用方便。但对于大直径运载火箭，需要的数量较多。如采用电传爆引爆方式，分离可靠性较低、同步性较差、解锁时冲击载荷较大。252627包带连接解锁装置1—包带；2—V型块；3，4—上、下分离体282.炸药索a)聚能炸药索图8-7聚能炸药索解锁装置29b)封闭炸药索图8-8封闭炸药索解锁装置30常用的分离冲量装置有：1）压缩螺旋弹簧组件。2）气动作动筒。3）火药作动筒。4）固体装药的分离火箭。二、分离冲量装置311.压缩螺旋弹簧组件利用压缩弹簧释放的能量使两分离体分开。特点：设计制造简单，弹簧力预测较准确，可靠性高，无污染，分离冲击载荷小，成本低。缺点：不适宜于要求分离冲量大的级间分离。322.气动作动筒组成：作动筒、气源、电爆阀门。利用高压气体推动作动筒产生推力，将两体分开。特点：冲击载荷小，分离和缓。分离时间长，分离装置复杂，使用不方便。333.火药作动筒利用火药爆炸产生的高压燃烧气推动作动筒。特点：结构简单、紧凑、质量小、使用方便。但分离冲击载荷大。344.分离火箭方向：正推、反推、侧（横）推正推：装在上面级，使上面级加速，并使上面级储箱内的液体推进剂沉低。反推：安装在被抛掉的分离体上，使分离体减速。用于级间分离，导弹头体分离。不宜于星箭分离。侧推：通常用于助推器与火箭芯级分离。也可用于头体分离。355.冷气喷流装置利用携带的干净冷气（氦、氮），通过专用喷管喷出产生推力。特点：分离力小、冲击载荷小、无污染，适宜于要求无污染的星箭分离。36三、引爆装置收到分离指令后，采用电爆管引爆连接解锁装置或分离冲量装置。方式：电发火引爆：给每一个电爆管供电，使其引爆。非电激发传爆：先使一个电爆装置引爆，通过传爆支管将爆轰波同时传给各路封闭导爆索，引爆起爆器，使连接解锁装置解锁或使分离火箭点火。378.4.2级间分离系统1.串连式火箭的级间分离a)级间热分离图8-9级间热分离多级火箭的联结有串联、并联、混合三种形式。热分离的基本程序是：启动第二级发动机，关闭第一级发动机，起爆炸断联结件。38b)级间冷分离图8-10级间冷分离又称减速分离。分离指令程序：级间联结件爆破断开，启动第一级的制动火箭或其他制动装置，启动第二级的火箭发动机。级间分离机构组件少、轻，分离平稳。但这种分离方式对于控制系统的精度要求较高。392.并连式火箭的级间分离a)采用辅助分离冲量装置分离图8-11采用分离火箭的助推器分离b)利用惯性力作用分离408.4.3整流罩分离1.整体轴向分离2.下端活动铰链约束侧向转动分离3.无污染炸药索侧向平推分离41图8-12下端铰链约束侧向转动分离系统42图8-13下端铰链约束侧向转动分离过程43图8-14卫星整流罩无污染炸药索侧向平推分离系统448.4.4星箭(头－体）分离系统8.4.5星箭分离1.弹射分离1)气动弹射装置45图6-15气动弹射装置组成示意图462.火药弹射装置图8-16气动弹射装置组成示意图473.弹簧式弹射装置图8-17弹簧式弹射装置组成示意图482.减速分离1).反推制动火箭492).反向喷管503).利用增压气体513.组合分离