[科普中國]-火箭設(shè)計

設(shè)計特點

火箭由于自身的特點，它的設(shè)計不完全同于其他的飛行器設(shè)計?；鸺O(shè)計的特點是：①火箭因無人駕駛，需要為它設(shè)計十分完善的自動控制系統(tǒng)，并且將火箭整體作為彈性體設(shè)計（見火箭試驗）。②火箭以巨大推力工作和以極高速度在大氣層內(nèi)飛行，它的工作環(huán)境比其他飛行器惡劣(見火箭工作環(huán)境)，火箭的各種設(shè)備和結(jié)構(gòu)承受這種環(huán)境的能力也需要相應(yīng)提高，適應(yīng)環(huán)境的設(shè)計是火箭設(shè)計的一項十分艱巨的工作。③火箭自身不需要人的生命和生活保障系統(tǒng)。④多數(shù)火箭的箭體設(shè)計只考慮運(yùn)輸、發(fā)射和飛行載荷，不考慮返回和著陸，結(jié)構(gòu)可設(shè)計得輕些，以增大有效載荷。⑤設(shè)計對先進(jìn)科學(xué)技術(shù)預(yù)研的依賴性較大。導(dǎo)彈彈頭以比其他返回飛行器大得多的速度在大氣層內(nèi)飛行，高速氣流的沖刷和上萬度的高溫，使彈頭的防熱設(shè)計必須以先進(jìn)的材料和工藝的預(yù)研為基礎(chǔ)。沒有高精度的敏感元件、測量儀器和精確制導(dǎo)方法的預(yù)先研究，就設(shè)計不出圓公算偏差近百米的洲際導(dǎo)彈；要設(shè)計航天飛機(jī)，必須預(yù)先造出能多次使用的高性能火箭發(fā)動機(jī)，解決復(fù)雜的氣動、載荷、姿態(tài)控制、返回回收等技術(shù)。⑥火箭設(shè)計受運(yùn)載任務(wù)的制約較大。火箭的軌道、結(jié)構(gòu)、外形和控制等是按照運(yùn)載任務(wù)的特殊要求專門設(shè)計的，導(dǎo)彈更是如此。通常，運(yùn)載任務(wù)的要求就是火箭設(shè)計的依據(jù)。

總體設(shè)計在火箭研制中，總體設(shè)計將各部分的設(shè)計綜合成一個整體，保證綜合性能最佳、花費少和周期短?；鸺O(shè)計一般分為指標(biāo)論證、方案設(shè)計、初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計4個階段。

指標(biāo)論證在方案設(shè)計前進(jìn)行，把需要與可能結(jié)合起來，制定出切合實際的指標(biāo)。運(yùn)載火箭的技術(shù)指標(biāo)一般包括：典型軌道的運(yùn)載能力、入軌精度、對重量不同的有效載荷的適應(yīng)性和可靠性。導(dǎo)彈不僅有技術(shù)指標(biāo)，還有戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)（統(tǒng)稱戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)）。它包含射程、戰(zhàn)斗部重量和威力、命中精度、突防能力、可靠性、發(fā)射方式和發(fā)射準(zhǔn)備時間、運(yùn)輸條件和使用環(huán)境條件等。

方案設(shè)計方案設(shè)計包括選擇總體參數(shù)、確定總體方案和對分系統(tǒng)提出初樣研制任務(wù)書。在選擇總體參數(shù)前須確定推進(jìn)劑和發(fā)動機(jī)類型、級數(shù)、連接方式、操縱機(jī)構(gòu)型式、分離方式、箭體各段結(jié)構(gòu)型式、火箭外形和部位安排。

①推進(jìn)劑選擇：推進(jìn)劑占火箭起飛重量的80～95%，直接影響火箭的運(yùn)載能力、發(fā)動機(jī)型式、彈道特性和使用性能。液體推進(jìn)劑性能高、推力控制方便。固體推進(jìn)劑可使火箭尺寸小、系統(tǒng)簡單、發(fā)射準(zhǔn)備時間短、起飛加速快。選擇推進(jìn)劑是為了獲得盡可能大的熱值和密度，要求液體推進(jìn)劑的腐蝕性和毒性小、固體推進(jìn)劑的機(jī)械強(qiáng)度高。用于導(dǎo)彈的推進(jìn)劑，要求在使用溫度范圍內(nèi)和長期貯存中物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。

②級數(shù)選擇：采用多級火箭可以把飛行期間無用的火箭結(jié)構(gòu)依次拋掉，從而減少能量損失，提高運(yùn)載能力。每級的發(fā)動機(jī)推力、工作時間和分離高度可以靈活調(diào)整。過多的級數(shù)會使火箭結(jié)構(gòu)和控制變得復(fù)雜，降低可靠性和使用性能?；鸺淖罴鸭墧?shù)通常應(yīng)少于按最小起飛重量所選擇的級數(shù)，一般選二級、三級或四級。多級火箭的連接有串聯(lián)式、并聯(lián)式或混合式三種型式。

③火箭的總體布局：又稱部位安排。合理安排火箭各部段和組件的位置，要使火箭結(jié)構(gòu)緊湊，傳力合理，具有良好的氣動外形和飛行穩(wěn)定性，有利于安裝敏感元件、實現(xiàn)控制、減小偏差和級間的分離，而且使用方便。

④設(shè)計參數(shù)選擇：根據(jù)給定的入軌點參數(shù)(或射程)、有效載荷和推進(jìn)劑選擇一組最佳的總體設(shè)計的參數(shù)，用這組參數(shù)來確定火箭的重量、推力和幾何尺寸等。總體設(shè)計參數(shù)主要有：發(fā)動機(jī)真空比推力（火箭理想速度與它成正比）、火箭質(zhì)量比（反映火箭結(jié)構(gòu)重量減輕的水平和推進(jìn)劑的裝填程度）、推重比（起始推力與起飛重量之比，表示火箭加速性）、比沖比（即真空比沖與地面比沖之比，與發(fā)動機(jī)噴管的面積比有關(guān)，按照飛行高度變化選取）、火箭最大單位橫截面上的起飛載荷（反映火箭粗細(xì)程度）、多級火箭級間起飛質(zhì)量比（它影響火箭尺寸及運(yùn)載能力）。

為選擇總體設(shè)計參數(shù)需要進(jìn)行重量分析和軌道（彈道）分析。重量分析是利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分析計算方法找出組成火箭各部分重量與設(shè)計參數(shù)的內(nèi)部聯(lián)系，從而建立火箭起飛重量與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系。軌道（彈道）分析是研究火箭主動段終點速度（或射程）與主要設(shè)計參數(shù)的關(guān)系。作為初步估算，主動段終點速度用齊奧爾科夫斯基公式求出，用各種因素引起的速度損失加以修正并考慮地球旋轉(zhuǎn)的影響。不同運(yùn)載任務(wù)對終點速度和軌道形狀要求不同。將航天器送入軌道的方法一般有三種（見發(fā)射彈道與入軌）。發(fā)射低軌道衛(wèi)星時，通常終點選在軌道的近地點，速度取水平方向。彈道導(dǎo)彈設(shè)計往往按射程和所要求的彈頭再入條件來確定?；瘘c速度的大小和方向。精確計算時通過分析建立火箭運(yùn)動方程和控制方程組，利用計算機(jī)對不同設(shè)計參數(shù)的組合進(jìn)行計算，一般選擇使火箭起飛重量最小的一組設(shè)計參數(shù)。

⑤參數(shù)分配：根據(jù)已選定的火箭技術(shù)指標(biāo)、總體方案和設(shè)計參數(shù)，通過設(shè)計和分析提出分系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)。這項工作包括：計算初始參數(shù)，確定火箭的尺寸、容積、重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量和各種偏差，對火箭的空氣動力特性、氣動加熱、飛行軌道程序、標(biāo)準(zhǔn)軌道和偏差、箭體的動力特性和液體晃動特性、載荷、輸送系統(tǒng)的增壓、飛行穩(wěn)定性、制導(dǎo)精度和可靠性等進(jìn)行計算和綜合分析。

初步設(shè)計初步設(shè)計是基于初樣產(chǎn)品試驗的又一輪總體設(shè)計，為分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計提供依據(jù)。初步設(shè)計與方案設(shè)計類似，只不過計算公式和計算方法更加細(xì)致和精確，并在試驗和反復(fù)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上擬制供分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計的任務(wù)書。

技術(shù)設(shè)計在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上編制用于指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗、驗收的工程圖紙和技術(shù)文件?？傮w設(shè)計協(xié)調(diào)各個分系統(tǒng)的設(shè)計，使其符合總體的要求。同時編制整個火箭的地面大型試驗和飛行試驗的技術(shù)文件。

分系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)總體設(shè)計所提出的要求和設(shè)計參數(shù)，以類似總體設(shè)計的方法進(jìn)行的，并依此處理它與下層系統(tǒng)和單機(jī)（組件）的關(guān)系。在研制的各個階段，設(shè)計、生產(chǎn)和試驗的信息不斷反饋回總體設(shè)計中，經(jīng)過幾個設(shè)計階段的反復(fù)協(xié)調(diào)、試驗和修改設(shè)計，最終完成火箭設(shè)計。

NASA宣布重型火箭設(shè)計為了進(jìn)一步探索太陽系，將人類的腳步留在月球或者是小行星甚至是火星， 美國宇航局（NASA）在2011年9 月14 日正式公布了美國新一代重型運(yùn)載火箭的設(shè)計方案。這一方案將成為未來幾年內(nèi)人類太空飛行計劃的支柱。

該重型運(yùn)載火箭將成為擺脫地球引力的最強(qiáng)有力工具。

美國宇航局局長小查爾斯·博爾登（Charles F.Bloden Jr.）在華盛頓的一次新聞發(fā)布會上說：“我們正寄希望于能夠在太空生活以及工作的新興技術(shù)，并且這也為拜訪小行星以及火星創(chuàng)造條件?！?/p>

這個超級火箭方案被叫做航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS），它將勵精圖治實現(xiàn)NASA 的宏偉目標(biāo)和遠(yuǎn)大理想。但是隨著力圖控制聯(lián)邦財政的預(yù)算縮減，該方案也反映了近期遠(yuǎn)大抱負(fù)的猶豫不決。就在兩年前，NASA 甚至希望建造一個更大的能夠?qū)⒂詈絾T重返月球并在月球建立前哨基地的運(yùn)載火箭。隨著有限的資金，該項目的步伐將會比20世紀(jì)60年代阿波羅鼎盛時期還要慢。NASA 載人探測的副局長威廉·戈斯坦邁爾（William H. Gerstenmaier）聲稱，宇航局每年將注入30億美元來研發(fā)該項目， 預(yù)計未來6年內(nèi)將耗資180億美元。這樣才足以將火箭的運(yùn)載能力提升至70噸；而目前使用的最大無人火箭的運(yùn)載能力僅是它的三分之一。預(yù)計在2017 年進(jìn)行首次無人火箭發(fā)射試驗。設(shè)計研發(fā)的更大版本很可能將火箭推力變得更強(qiáng)，運(yùn)載能力足以達(dá)到130 噸。（將阿波羅送往月球的土星V 型火箭可能將運(yùn)載能力提升120噸。）1

SLS 火箭的芯級將采用曾用在航天飛機(jī)上的5臺RS-25D/E氫氧主發(fā)動機(jī)， 上面級（ 第二級） 采用一臺J-2X 氫氧發(fā)動機(jī)。J-2X 是阿波羅登月飛船發(fā)射用的“土星” 5火箭第二級發(fā)動機(jī)的高級型號， 目前正在研制， 原擬用在“星座” 計劃下的“戰(zhàn)神” 1和“戰(zhàn)神” 5火箭上。博爾登解釋說， 采用液氫和液氧燃料將使NASA 能降低成本和充分利用相關(guān)領(lǐng)域已有的經(jīng)驗和技術(shù)。初步設(shè)計要求在SLS 火箭芯級兩側(cè)捆綁五段式固體火箭助推器。火箭在幾次初期試飛時將采用這種設(shè)計。不過， 博爾登說，NASA 最終將組織競標(biāo)， 以用更先進(jìn)的設(shè)計或液體燃料火箭來取代這些側(cè)裝助推器。火箭起飛時， 5臺RS-25D/E發(fā)動機(jī)和側(cè)裝助推器將同時點火工作?；鸺跗趯⒕哂?0噸的有效載荷能力， 并可通過改進(jìn)而逐步提高到130噸， 從而超過曾送美國宇航員登月的“土星” 5火箭?；鸺呓?23 米， 比“土星” 5高出約12米。NASA 原擬在“星座”計劃下研制“ 戰(zhàn)神” 5 重型火箭， 用于送美國宇航員重返月球， 但“星座” 計劃已在2010年被奧巴馬總統(tǒng)砍掉。博爾登宣布， SLS 火箭擬在2017年底進(jìn)行首次試飛。2