航天概论课件第五章.ppt

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1、航天概论 什么是飞行器结构？什么是飞行器结构？它是飞行器的主体。它是飞行器的主体。将飞行器上各个分系统联结和组成一个完整的整将飞行器上各个分系统联结和组成一个完整的整体，为它们提供支承作用和可靠的工作环境，承受体，为它们提供支承作用和可靠的工作环境，承受地面操作和飞行中的外载荷，保证一定的刚度和良地面操作和飞行中的外载荷，保证一定的刚度和良好的外形，维持飞行器作为一个整体的完整性。好的外形，维持飞行器作为一个整体的完整性。5.1.1 5.1.1 箭体结构布局和组成箭体结构布局和组成 布局：布局：（1）运载火箭）运载火箭构造特点构造特点：一般采用液体火箭。一般采用液体火箭。采用二级或三级火箭。采

2、用二级或三级火箭。（2 2）级间的结合方式级间的结合方式：串联式、并联式（捆绑式）和混合式串联式、并联式（捆绑式）和混合式三种类型。三种类型。串联式串联式将几个单级火箭将几个单级火箭依次前后沿轴向连接依次前后沿轴向连接。优点优点：结构紧结构紧凑、气动阻力小、凑、气动阻力小、发射设备简单；发射设备简单；缺点缺点：长度大，长度大，运输、贮存、起竖运输、贮存、起竖等都不够方便。等都不够方便。并联式并联式各级火箭围绕芯级（末级）火箭周围横各级火箭围绕芯级（末级）火箭周围横 向连接向连接，优点：长度短，发射时可多个火箭同时点火；优点：长度短，发射时可多个火箭同时点火；缺点：横向尺寸大，气动阻力大，发射设

3、备复杂。缺点：横向尺寸大，气动阻力大，发射设备复杂。混合式混合式串联和并联同时使用的组合方式。串联和并联同时使用的组合方式。兼有上述两种方式的优缺点，是大运载能力火箭兼有上述两种方式的优缺点，是大运载能力火箭常用的布局方式。常用的布局方式。（3 3）级间的）级间的分离方式分离方式 冷分离冷分离和热分离两种。和热分离两种。冷分离冷分离两级火箭先分开，然后上面级发动机两级火箭先分开，然后上面级发动机点火。点火。热分离热分离上面级发动机先点火，然后再使两级上面级发动机先点火，然后再使两级火箭分离。火箭分离。箭体结构的组成：箭体结构的组成：头部（有效载荷）头部（有效载荷）头部整流罩头部整流罩 推进剂贮

4、箱推进剂贮箱 仪器舱仪器舱 箱间段箱间段 级间段级间段 发动机支架发动机支架 尾段尾段头部：头部：又称为有效载荷。人造卫星、又称为有效载荷。人造卫星、飞船、空间站部段、深空探测器飞船、空间站部段、深空探测器等航天器。等航天器。头部整流罩：头部整流罩：在大气层飞行时承受空气动力在大气层飞行时承受空气动力 和气动加热载荷，对有效载荷或和气动加热载荷，对有效载荷或 末级火箭起保护作用。末级火箭起保护作用。飞出大气层后与火箭分离抛弃，以节省发动机能飞出大气层后与火箭分离抛弃，以节省发动机能量。量。推进剂贮箱：推进剂贮箱：包括包括氧化剂箱氧化剂箱和和燃烧剂箱燃烧剂箱。功能：贮存推进剂，同时还是火箭的承力

5、结构。功能：贮存推进剂，同时还是火箭的承力结构。箱间段箱间段：氧化剂箱和燃烧剂箱之间的连接部段。氧化剂箱和燃烧剂箱之间的连接部段。起连接和承力作用。起连接和承力作用。内部空间安装推进系统的增压气瓶、管路和阀门内部空间安装推进系统的增压气瓶、管路和阀门以及安全执行机构的自毁装置和遥测仪器等。以及安全执行机构的自毁装置和遥测仪器等。仪器舱：仪器舱：安装陀螺惯性平台、弹上计算机等控制仪器、遥测安装陀螺惯性平台、弹上计算机等控制仪器、遥测仪器和温度调节设备等；仪器和温度调节设备等；承受头部传来的轴力和弯矩。承受头部传来的轴力和弯矩。级间段：级间段：多级火箭级间的连接部件，起级间连接和承力作多级火箭级间

6、的连接部件，起级间连接和承力作用。用。设有设有分离机构分离机构，在后面级完成任务后将后面级分，在后面级完成任务后将后面级分离抛弃。离抛弃。结构形式与分离方式有关。结构形式与分离方式有关。发动机支架：发动机支架：安装发动机并将推力传给推进剂安装发动机并将推力传给推进剂贮箱的承力构件。贮箱的承力构件。发动机零、组件安装的支持部件。发动机零、组件安装的支持部件。尾段：尾段：火箭竖立在发射台上的承力部件；火箭竖立在发射台上的承力部件；一级发动机的保护罩。一级发动机的保护罩。有尾翼时，还是尾翼的支持部件。有尾翼时，还是尾翼的支持部件。5.1.2 5.1.2 箭体结构的型式箭体结构的型式 薄壁结构薄壁结构

7、由蒙皮和加劲构件组成的结构由蒙皮和加劲构件组成的结构。运载火箭运载火箭的外壳，的外壳，包括头罩、仪器舱、贮箱、箱包括头罩、仪器舱、贮箱、箱间段和级间段、尾段以及尾翼等，都是间段和级间段、尾段以及尾翼等，都是薄壁结构薄壁结构。薄壁结构薄壁结构分类分类 骨架蒙皮结构骨架蒙皮结构 半硬壳式结构半硬壳式结构 硬壳式结构硬壳式结构 整体壁板式结构整体壁板式结构 半硬壳式结构半硬壳式结构由蒙皮、纵向和横向的由蒙皮、纵向和横向的加劲件加劲件组成组成的薄壁结构。的薄壁结构。纵向的加劲件有桁条和梁纵向的加劲件有桁条和梁；横向加劲件有隔框和肋横向加劲件有隔框和肋；由铆接、焊接和胶接等方式连接。由铆接、焊接和胶接等

8、方式连接。半硬壳式结构蒙皮半硬壳式结构蒙皮 不是很强，不能单独不是很强，不能单独 承受正应力，而是与承受正应力，而是与 铆接在蒙皮上的桁条铆接在蒙皮上的桁条 共同承受正应力。共同承受正应力。硬壳式结构硬壳式结构 由蒙皮和横向由蒙皮和横向加劲件加劲件组成的组成的 薄壁结构。薄壁结构。主要由壳体（蒙皮）承主要由壳体（蒙皮）承 受正应力，一般不设纵向受正应力，一般不设纵向 构件。构件。多用于直径较小的战术多用于直径较小的战术 导弹。导弹。整体壁板式结构整体壁板式结构采用机械铣切、化学铣切、精采用机械铣切、化学铣切、精 密铸造等工艺方式密铸造等工艺方式将蒙皮和加劲件做成一体将蒙皮和加劲件做成一体的的薄

9、薄 壁结构。壁结构。除了如半硬壳式结构一样由除了如半硬壳式结构一样由 纵向和横向加劲组成正置的正纵向和横向加劲组成正置的正 交加劲网格，还可以做成斜置交加劲网格，还可以做成斜置 的对称方形或菱形加劲网格。的对称方形或菱形加劲网格。薄壁结构之外，还有薄壁结构之外，还有夹层结夹层结构构和和复合材料结构复合材料结构等型式。等型式。（1）推进剂贮箱结构推进剂贮箱结构 由由短壳、箱底、壳段、推短壳、箱底、壳段、推进剂管理系统、隧道管和和进剂管理系统、隧道管和和输送管路系统输送管路系统等组成。等组成。短壳短壳半硬壳式结构或半硬壳式结构或整体网格加劲结构整体网格加劲结构。箱底箱底也称为封头。与也称为封头。与

10、壳段焊接在一起组成一个封壳段焊接在一起组成一个封闭的容器，形状多为闭的容器，形状多为椭球形椭球形或半球形或半球形。壳段壳段连接前、后底之间的直筒段。结构形式有连接前、后底之间的直筒段。结构形式有光筒壳和加劲壳光筒壳和加劲壳两种。两种。防晃板防晃板扇形防晃板、扇形防晃板、环向防晃板环向防晃板。（2）干壳段结构）干壳段结构 包括包括头部整流罩、仪器舱、头部整流罩、仪器舱、箱间段、级间段、尾段箱间段、级间段、尾段等。等。头部整流罩头部整流罩：由由端头帽、前锥段、圆筒端头帽、前锥段、圆筒段、倒锥段和纵向解锁机构段、倒锥段和纵向解锁机构组成。组成。端头帽端头帽承受承受较大的气动压力和气动加热作用较大的气

11、动压力和气动加热作用，通，通常采用浸树脂的玻璃布成型，铆接铝合金端框。常采用浸树脂的玻璃布成型，铆接铝合金端框。前锥段、圆筒段和倒锥段前锥段、圆筒段和倒锥段等采用桁条、蒙皮铆接等采用桁条、蒙皮铆接的的半硬壳式结构半硬壳式结构。前锥段和圆筒段前锥段和圆筒段受气动加热作用，需采取适当的受气动加热作用，需采取适当的防热措施。防热措施。仪器舱：仪器舱：为各种仪器设备的正常工作提供为各种仪器设备的正常工作提供良好的环境良好的环境，需，需要具备要具备隔热减震隔热减震等功能。等功能。外形通常为锥形、圆柱形壳体或上锥形、下柱形外形通常为锥形、圆柱形壳体或上锥形、下柱形组合的壳体。组合的壳体。壳体结构壳体结构由

12、由蒙皮、蒙皮、前后端框、中间框、梁、前后端框、中间框、梁、桁条、舱口盖桁条、舱口盖等组成主等组成主体结构。内壁有仪器的体结构。内壁有仪器的安装支架、安装梁、爆安装支架、安装梁、爆炸螺栓盒炸螺栓盒等零组件。外等零组件。外边喷涂边喷涂防热涂层或粘贴软木层防热涂层或粘贴软木层。材料为高强度硬材料为高强度硬铝合金铝合金或或碳碳/环氧复合材料。环氧复合材料。箱间段：箱间段：圆柱形，由隔框、桁条、蒙皮铆接的圆柱形，由隔框、桁条、蒙皮铆接的半硬壳式结构半硬壳式结构。壳体中部分布若壳体中部分布若干用于安装和检查干用于安装和检查仪器的舱口，舱口仪器的舱口，舱口用带有旋转锁的口用带有旋转锁的口盖封闭；盖封闭；级间

13、段：级间段：结构形式取决于分离方式。结构形式取决于分离方式。冷分离的级间段一般采用半硬壳式结构冷分离的级间段一般采用半硬壳式结构，结构形，结构形式与箱间段没有多大区别，只是增加了分离机构。式与箱间段没有多大区别，只是增加了分离机构。热分离的级间段热分离的级间段需要在点火后分离前的一段时间需要在点火后分离前的一段时间内使火焰安全排出。通常采用内使火焰安全排出。通常采用 半硬壳式结构和杆系结构组合半硬壳式结构和杆系结构组合 的结构形式。的结构形式。尾段：尾段：由蒙皮、桁条、隔框铆由蒙皮、桁条、隔框铆接而成的半硬壳式结构。接而成的半硬壳式结构。为了提高结构的效率，为了提高结构的效率，往往往往采用横向

14、隔框在蒙皮内，采用横向隔框在蒙皮内，纵向桁条在蒙皮外的结构形纵向桁条在蒙皮外的结构形式式。由于发动机高温喷流的辐射作用，尾舱由于发动机高温喷流的辐射作用，尾舱底部必须采底部必须采取防热措施取防热措施。5.1.3 5.1.3 分离和解锁机构分离和解锁机构 火箭上火箭上兼有连接、解锁和分离功能的机构或组件兼有连接、解锁和分离功能的机构或组件。运载火箭的分离机构包括运载火箭的分离机构包括串联式级间分离机构、并串联式级间分离机构、并联式级间分离机构、头罩分离机构和有效载荷分离机联式级间分离机构、头罩分离机构和有效载荷分离机构构等。等。对分离机构的对分离机构的基本要求基本要求是：是：*分离前确保分离前确

15、保可靠的连接可靠的连接，*分离时确保分离时确保可靠地分离可靠地分离，*分离过程和分离后保证分离过程和分离后保证分离体不发生碰撞分离体不发生碰撞，保，保证证继续飞行体正常工作继续飞行体正常工作，无过大的振动、冲击及环境无过大的振动、冲击及环境污染污染等。等。（1）串联式级间分离机构）串联式级间分离机构 有有热分离和冷分离热分离和冷分离两种方式。两种方式。热分离：热分离：下面级火箭关机后，推力衰减到下面级火箭关机后，推力衰减到一定值时，上面级火箭启动；一定值时，上面级火箭启动；上面级火箭推力增加到一定值时，上面级火箭推力增加到一定值时，按预定程序引爆连接两级火箭的爆按预定程序引爆连接两级火箭的爆炸

16、螺栓或者可切开结构蒙皮的柔性炸螺栓或者可切开结构蒙皮的柔性环形炸药索，使两级火箭在强大的环形炸药索，使两级火箭在强大的燃气流作用下逐渐分开。燃气流作用下逐渐分开。冷分离：冷分离：完成分离动作后上面级发动机才启动工作。完成分离动作后上面级发动机才启动工作。分离力是借助安装在上面级的辅助加力火箭或下分离力是借助安装在上面级的辅助加力火箭或下面级的反推火箭实现的面级的反推火箭实现的。解锁机构也采用爆炸螺栓或柔性爆解锁机构也采用爆炸螺栓或柔性爆 炸索。炸索。分离过程干扰小，级间结构比较简分离过程干扰小，级间结构比较简 单，重量小。但上面级的失控时间单，重量小。但上面级的失控时间 较长，初始干扰大。较长，初始干扰大。（2）并联式级间分离机构并联式级间分离机构 利用气动阻力实现分离的并联式分离机构利用气动阻力实现分离的并联式分离机构：大型捆绑式运载火箭的连接分离机构：大型捆绑式运载火箭的连接分离机构：前支点每个助推器由三根连接杆与芯级相连。连前支点每个助推器由三根连接杆与芯级相连。连接杆长度可调，并串联爆炸螺栓用以解锁。接杆长度可调，并串联爆炸螺栓用以解锁。后支点采用球头爆炸螺栓，球铰连接允许助推