运载火箭的箭体结构



运载火箭的箭体结构是运载火箭的基体，它把运载火箭各系统组合在一起形成一个完整的整体。在设计运载火箭的箭体结构时，应使箭体具有良好的气动外形，以保证运载火箭的飞行性能；在保证箭体结构有足够的强度和刚度条件下，质量要轻；在满足使用要求和可靠的情况下，结构应简单；要有足够的空间用来安装运载火箭上所有仪器、设备，并满足它们正常工作所需的环境条件，如压力、温度和振动等要求。此外，箭体结构还要满足运载火箭在地面操作过程中，便于对箭上的仪器、设备进行检查、测试、维修和更换，在制造过程中有良好的工艺性和经济性等要求。
       液体运载火箭的箭体主要由推进剂贮箱、仪器舱、推力结构、尾段和尾翼、有效载荷整流罩等组件组成
       推进剂贮箱占了箭体很大一部分空间，它用来存贮推进剂。采用双组元推进剂的火箭有两个贮箱，一个装氧化剂，一个装燃烧剂。如用单组元推进剂，有一个贮箱就够了。目前大多数运载火箭的推进剂贮箱，不但用来存贮推进剂，而且是箭体承力结构的一部分。推进剂贮箱要求密封，装上推进剂后不允许有泄漏。目前常用的材料为可焊的铝合金，早期美国的“宇宙神”火箭，曾用不锈钢作贮箱材料。用作推进剂贮箱的材料必须与存贮的推进剂相容。所谓相容，就是两者能和平共处：一方面材料能抗推进剂的腐蚀，另一方面材料对推进剂不起物理化学作用，不使推进剂的化学成份或品质发生变化。贮箱一般为圆筒形，前后有两个箱底，中间为圆柱形的壳段，用焊接方法把两个箱底与壳段焊成一个圆筒形容器。有的运载火箭为缩短整个火箭的长度，把氧化剂箱与燃烧剂箱连成一个整体，中间用一个共用的箱底（称共底）隔开；有的则采用像救生圈一样的环形贮箱。在两个独立的圆筒形贮箱之间有一个连接段，叫做箱间段。利用箱间段的空间可安装一些仪器或设备，安全自毁系统的爆炸装置常放在这里。
       仪器舱是集中安装控制系统和其他系统的仪器、设备的舱段。目前运载火箭的仪器舱常安排在箭体靠前端部位，这里离发动机较远，振动小，对仪器设备有利。
       推力结构是用来安装发动机并把推力传给箭体的承力组件，常见的推力结构有构架式结构与半硬壳式结构两种型式。构架式推力结构又叫发动机架。
       尾段在箭体的最后部位，所以称尾段。它不仅是个发动机舱，而且在整个火箭竖立在发射台上时起支撑作用。有的运载火箭在尾段外面还装有尾翼，有的则没有，尾翼起稳定火箭飞行的作用。可以根据运载火箭在大气层内飞行时箭体气动稳定状态，在控制系统方案设计时决定要不要装尾翼。
       串联式多级火箭在级与级连接的部位还有一个级间段，它是级与级分离的部位。级与级之间分离有两种状态，一种叫热分离，就是上面一级火箭先点火，然后两级之间再分开；一种叫冷分离，就是两级之间先分开，然后上面一级火箭再点火。采用热分离的火箭，其级间段常采用构架式结构，便于在分离前，上面级发动机的火焰可以顺畅排出。
      箱间段、仪器舱、尾段、尾翼和级间段壳体常采用铝合金材料。发动机架、构架式级间段则由钢管焊接而成。
      有效载荷整流罩位于运载火箭前端。当运载火箭在大气层内飞行时，它用来保护有效载荷不受气动力和气动加热的影响；当运载火箭飞出大气层后，它已不起作用，此时，为减轻火箭质量，整流罩即被抛掉。整流罩应有足够的刚度，且质量要轻，因此常采用蜂窝结构。目前，常用的有铝蜂窝结构、玻璃钢蜂窝结构和碳纤维蜂窝结构。用于运送载人飞船的运载火箭，在其整流罩的上端装有逃逸救生火箭。当运载火箭在飞行中出现不正常情况危及航天员生命时，逃逸火箭立即点火，带着整流罩和整流罩内的载人飞船一起迅速脱离运载火箭，飞向一个安全区。这种整流罩要承受很大的逃逸载荷，因此都采用由高强度铝合金、合金钢和铁合金制成的半硬壳式结构。
      对固体运载火箭而言，其箭体结构除了没有推进剂贮箱、箱间段和发动机架外，其他与液体运载火箭的箭体结构基本相同。其中固体火箭发动机的壳体常构成箭体承力结构的一部分。在箭体结构的组成中，还包括一些机构，最常见的机构是分离机构。分离机构具有连接与分离双重作用。在运载火箭上要分离的部位，有多级火箭的助推器与芯级火箭的分离、上面级与下面级的分离、整流罩与箭体的分离及有效载荷与箭体的分离等。目前常用的分离机构有：爆炸螺栓、爆炸分离螺母、包带机构、火工锁机构和拉杆式锁钩机构等多种形式。