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运载火箭的组成分析

参考中国报告网发布《2010-2015年中国运载火箭行业市场调研及发展前景预测报告

       火箭主要由三大系统组成:结构系统、动力系统和控制系统,另外还包括遥测系统、安全系统、外弹道测量系统、地面测发控系统等。

 
 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       1、结构系统:运载火箭的骨骼

       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,其主要功能如下:1、使运载火箭具有良好的气动外形,保证运载火箭的飞行性能;2、在满足运载火箭所需的强度和刚度基础上,质量要尽可能轻,结构要尽可能简单;       3、提供安装运载火箭上所有仪器、设备的空间,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。
       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成。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。
       推进剂贮箱占了箭体很大一部分空间,它用来存贮推进剂,一般有两个贮箱,一个装氧化剂,一个装燃烧剂。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。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。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通常放在这里。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       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。
       级间段: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。
       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、合金钢和钛合金制成的半硬壳式结构。
       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。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理

       2、动力系统:运载火箭的心脏
       动力系统是推动火箭飞行的动力源,主要分为两类,一是固体火箭动力装置,二是液体火箭动力装置。液体火箭动力装置一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件。它由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室,经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物,以2500-5000米/秒的速度从喷管中喷出而产生推力。燃烧室内压力可达200大气压,温度可达3000~4000℃,需要冷却。
       推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂。按输送方式不同,有挤压式和泵压式两类供应系统。挤压式供应系统是利用高压气体经减压器减压后进入氧化剂、燃烧剂贮箱,将其分别挤压到燃烧室中。挤压式供应系统只用于小推力发动机。大推力发动机则用泵压式供应系统,这种系统是用液压泵输送推进剂。
       发动机控制系统用于对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。工作程序包括发动机起动、工作。关机三个阶段,这一过程是按预定程序自动进行的。工作参数主要指推力大小、推进剂的混合比。

 
资料来源:公开资料,观研天下数据中心整理
       3、控制系统:运载火箭的大脑
       控制系统用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行,由制导和导航系统、姿态控制系统、综合线路系统三大部分组成。
       制导和导航系统用于控制运载火箭按预定的轨道运动,把有效载荷送到预定的空间位置并使之准确进入轨道,主要由箭载计算机、惯性测量组合、卫星导航组合等构成,目前运载火箭常用的惯性测量组合一般为激光陀螺、光纤陀螺。
       姿态控制系统用于纠正运载火箭飞行中的俯仰、偏航、滚动误差,使之保持正确的飞行姿态,主要由箭载计算机、惯性测量组合、伺服机构等构成。
       综合线路系统除了把制导、姿态控制系统综合在一起外,还包括电源配电、时序和测试线路等部分,组成一个完整的控制系统。

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