空間飛行器設(shè)計(jì)

1、空間飛行器設(shè)計(jì)1第1頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.1 箭體結(jié)構(gòu)的組成和功用 組成有效載荷整流罩、推進(jìn)劑貯箱、輸送系統(tǒng)元件、儀器艙、級(jí)間段、發(fā)動(dòng)機(jī)架和尾段等，有些大型火箭還有尾翼。 箭體結(jié)構(gòu)是運(yùn)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(dòng)力系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等)，并按要求將其連接成結(jié)構(gòu)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(dòng)外形；保持火箭完整性。2第2頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六Saturn53第3頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六4第4頁，

2、共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六有效載荷整流罩 整流罩是有效載荷或末級(jí)火箭的包封部件，在大氣層飛行段對(duì)其起保護(hù)作用。一般為錐柱、錐柱錐硬殼式。推進(jìn)器貯箱 為貯存推進(jìn)劑的容器，是火箭的承力結(jié)構(gòu)，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(guān)系分：獨(dú)立式、共底式。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：硬殼式、半硬殼式和網(wǎng)格式。5第5頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.2 箭體的結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)型式8.2.1 推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu) 按受力形式分為: 承力式儲(chǔ)箱貯箱壁就是火箭的殼體，受內(nèi)壓和各種飛行載荷。 非承力式儲(chǔ)

3、箱貯箱壁是貯箱外殼，主要受內(nèi)壓載荷。6第6頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六 早期火箭如V-2，采用非承力式貯箱。 從20世紀(jì)50年代始，液體火箭廣泛采用承力（載）式貯箱。這是因?yàn)榛鸺龤んw上的主要載荷軸壓，可由貯箱內(nèi)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(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕、火箭空間利用率提高。 現(xiàn)代火箭設(shè)計(jì)中可綜合使用，如火箭的一子級(jí)采用多管發(fā)動(dòng)機(jī)，可將一種推進(jìn)劑貯箱設(shè)計(jì)為承力式，傳遞推力并作為另一種推進(jìn)劑貯箱吊掛的支柱。7第7頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六 貯箱的布局：串連布局：兩個(gè)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(jìn)劑貯箱作為中央儲(chǔ)箱，周圍環(huán)繞若干個(gè)另一種推進(jìn)劑的小貯箱；(2)兩種推進(jìn)劑貯箱是直徑相近的圓筒，對(duì)稱地捆綁（多用在大型火箭的一級(jí)和某些多級(jí)火箭的末級(jí)）。獨(dú)立懸掛：貯箱懸掛在支持構(gòu)件（構(gòu)架或另一種推進(jìn)劑貯箱上）。8第8頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六9第9頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六10第10頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)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(zhuǎn)體為前后箱底。 可采用“共底”貯箱：優(yōu)點(diǎn)：增大充液空間，省一個(gè)底和箱

5、間段，減少箭體長度和質(zhì)量。關(guān)鍵問題：防止推進(jìn)劑滲漏或共底失穩(wěn)破壞導(dǎo)致的爆炸；對(duì)低溫推進(jìn)劑，儲(chǔ)箱要作成夾層結(jié)構(gòu)或采取絕熱措施。11第11頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)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?yàn)殄F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(dòng)機(jī)，直接承受推力和關(guān)機(jī)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(diǎn)18分，星期六8.2.2 儀器艙的結(jié)構(gòu)方案 功用：安裝控制系統(tǒng)、飛行測(cè)量系統(tǒng)、安全自毀系統(tǒng)等主要設(shè)備。 位置：對(duì) 多級(jí)火箭，一般在末級(jí)火箭上，位于有效載荷與貯箱之間。對(duì)單級(jí)火箭

6、，可以裝在火箭頂部、中部和下部，但要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。 受載：氣動(dòng)載荷，氣動(dòng)加熱。 結(jié)構(gòu)：可以利用獨(dú)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(diǎn)18分，星期六8.2.3 尾段、箱間段、級(jí)間段尾段保護(hù)各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的殼段。 火箭垂直發(fā)射前，用尾段支承，一子級(jí)尾段 承受全箭質(zhì)量和地面風(fēng)引起的橫向載荷； 飛行時(shí)，上面級(jí)的尾段，要承受飛行載荷。箱間段連接兩個(gè)推進(jìn)劑貯箱的殼段，受力與 上面級(jí)尾段類似。級(jí)間段連接級(jí)與級(jí)的連接殼段，除受飛行載 荷外，還受分離時(shí)的特殊載荷。14第14頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.2.4 串連火箭級(jí)間結(jié)

7、構(gòu)方案熱分離：上面火箭點(diǎn)火以后，下面火箭再分離。級(jí)間連接解鎖后，靠上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流吹開下面級(jí)火箭。特點(diǎn)：級(jí)間受高溫、高速氣流影響，要排焰。 采用桿式構(gòu)架可以使燃?xì)饬黜樌麖臈U間排出，并能參與火箭總體受力； 采用在級(jí)間結(jié)構(gòu)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(diǎn)18分，星期六冷分離：下面級(jí)火箭先分離，上面級(jí)火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)再點(diǎn)火。特點(diǎn)：級(jí)間結(jié)構(gòu)工作條件好，但分離速度低、失控時(shí)間長、“分離碰撞”問題較熱分離情況嚴(yán)重；必須使上面火箭在點(diǎn)火前設(shè)法使液體推進(jìn)劑沉底進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。熱分離過程中，下面級(jí)前部結(jié)構(gòu)需承受上面級(jí)噴流，噴流在下面

8、級(jí)貯箱外部滯止時(shí)形成高溫高壓，應(yīng)采用玻璃鋼防熱底結(jié)構(gòu)予以防護(hù)。16第16頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.2.5 箭體的結(jié)構(gòu)型式 箭體是由薄板和加強(qiáng)筋組成的薄壁結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)厚蒙皮隔框半硬殼式結(jié)構(gòu)：梁式梁蒙皮隔框桁條式桁條蒙皮隔框網(wǎng)格式機(jī)械銑切的化學(xué)壁板 整體壁板新結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)17第17頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.3 箭體結(jié)構(gòu)材料 現(xiàn)代火箭所用材料大都與飛機(jī)相同。主要有：鋁合金、合金鋼、鈦合金、新型復(fù)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(qiáng)度較低?，F(xiàn)廣泛采用A

9、l-Cu-Mg和Al-Zn-Mg高強(qiáng)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(diǎn)18分，星期六 近10多年以來，火箭結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高、比剛度高、韌性好，很適合承受軸向壓縮載荷的薄壁結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕，是今后的應(yīng)用研究方向之一。 美國X-33就應(yīng)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(diǎn)18分，星期六 復(fù)合材料是火箭和其他飛行器材料的發(fā)展方向。在火箭結(jié)構(gòu)上，復(fù)合材料應(yīng)用比重日益增長，在有效載荷支撐段、儀器艙、

10、級(jí)間段和整流罩等處不同程度使用。 美國“三叉戟”導(dǎo)彈應(yīng)用了65%的新型復(fù)合材料。 儀器艙殼體石墨環(huán)氧； 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管碳-碳、碳-酚醛； 整流罩玻纖-酚醛； 芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體凱芙拉（Kevla）。20第20頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.4 分離系統(tǒng)種類：級(jí)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(dǎo)彈）分離；冷發(fā)射時(shí)尾罩與導(dǎo)彈分離等。要求：分離前保證兩分離體可靠地連接，分離時(shí)保證分離過程中或分離之后，不對(duì)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(diǎn)18分，星期六圖6-4 多級(jí)火箭分離示意圖22

11、第22頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)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(diǎn)18分，星期六一、連接解鎖裝置1. 無碎片爆炸螺栓 用于多點(diǎn)連接的連接解鎖裝置。 螺桿體內(nèi)腔的炸藥引爆后，或者剪斷銷釘，或者使螺桿削弱槽斷裂，實(shí)現(xiàn)兩分離體解鎖。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配和使用方便。但對(duì)于大直徑運(yùn)載火箭，需要的數(shù)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(shí)沖擊載荷較大。24第24頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六25第25頁，

12、共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六26第26頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)作動(dòng)筒。 3）火藥作動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)：設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，彈簧力預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，可靠性高，無污染，分離沖擊載荷小，成本低。缺點(diǎn)：不適宜于要求分離沖量大的級(jí)間分離。31第31頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六2.氣動(dòng)作動(dòng)筒組成：作動(dòng)筒、氣源、電爆閥門。利用高壓氣體推動(dòng)作動(dòng)筒產(chǎn)生推力，將兩體分開。特點(diǎn)：沖擊載荷小，分離和緩。分離時(shí)間長，分離裝置復(fù)雜，使用不方便。32第32頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六3.火藥作動(dòng)筒 利用火藥爆炸產(chǎn)生的高壓燃燒氣推動(dòng)作動(dòng)筒。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

14、、緊湊、質(zhì)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(diǎn)18分，星期六4.分離火箭方向：正推、反推、側(cè)（橫）推正推：裝在上面級(jí)，使上面級(jí)加速，并使上面級(jí) 儲(chǔ)箱內(nèi)的液體推進(jìn)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(jí)間分離，導(dǎo)彈頭體分離。不宜于星箭分離。側(cè)推：通常用于助推器與火箭芯級(jí)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(diǎn)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(chǎn)生推力。 特點(diǎn)：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(diǎn)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(gè)電爆管供電，使其引爆。 非電激發(fā)傳爆：先使一個(gè)電爆裝置引爆，通過傳爆支管將爆轟波同時(shí)傳給各路封閉導(dǎo)爆索，引爆起爆器，使連接解鎖裝置解鎖或使分離火箭點(diǎn)火。36第36頁，共51頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)18分，星期六8.4.2 級(jí)間分離系統(tǒng)1. 串連式火箭的級(jí)間分離a) 級(jí)間熱分離圖8-9 級(jí)間熱分離多級(jí)火箭的聯(lián)結(jié)有串聯(lián)、并聯(lián)、混合三種形式。 熱分離的基本程序是：?jiǎn)?dòng)第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，關(guān)閉第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，起爆炸斷聯(lián)結(jié)件。 37第37頁，共51頁，2022年，5月20

16、日，2點(diǎn)18分，星期六b) 級(jí)間冷分離圖8-10 級(jí)間冷分離又稱減速分離。分離指令程序：級(jí)間聯(lián)結(jié)件爆破斷開，啟動(dòng)第一級(jí)的制動(dòng)火箭或其他制動(dòng)裝置，啟動(dòng)第二級(jí)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。級(jí)間分離機(jī)構(gòu)組件少、輕，分離平穩(wěn)。但這種分離方式對(duì)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(diǎn)18分，星期六2. 并連式火箭的級(jí)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(diǎn)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(dòng)鉸鏈約束側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)分離3. 無污染炸藥索側(cè)向平推分離40第4

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