[科普中國]-火箭設計

設計特點

火箭由于自身的特點，它的設計不完全同于其他的飛行器設計?；鸺O計的特點是：①火箭因無人駕駛，需要為它設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)，火箭的各種設備和結構承受這種環(huán)境的能力也需要相應提高，適應環(huán)境的設計是火箭設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多數火箭的箭體設計只考慮運輸、發(fā)射和飛行載荷，不考慮返回和著陸，結構可設計得輕些，以增大有效載荷。⑤設計對先進科學技術預研的依賴性較大。導彈彈頭以比其他返回飛行器大得多的速度在大氣層內飛行，高速氣流的沖刷和上萬度的高溫，使彈頭的防熱設計必須以先進的材料和工藝的預研為基礎。沒有高精度的敏感元件、測量儀器和精確制導方法的預先研究，就設計不出圓公算偏差近百米的洲際導彈；要設計航天飛機，必須預先造出能多次使用的高性能火箭發(fā)動機，解決復雜的氣動、載荷、姿態(tài)控制、返回回收等技術。⑥火箭設計受運載任務的制約較大?；鸺能壍?、結構、外形和控制等是按照運載任務的特殊要求專門設計的，導彈更是如此。通常，運載任務的要求就是火箭設計的依據。

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

指標論證在方案設計前進行，把需要與可能結合起來，制定出切合實際的指標。運載火箭的技術指標一般包括：典型軌道的運載能力、入軌精度、對重量不同的有效載荷的適應性和可靠性。導彈不僅有技術指標，還有戰(zhàn)術指標（統(tǒng)稱戰(zhàn)術技術指標）。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)射準備時間、運輸條件和使用環(huán)境條件等。

方案設計方案設計包括選擇總體參數、確定總體方案和對分系統(tǒng)提出初樣研制任務書。在選擇總體參數前須確定推進劑和發(fā)動機類型、級數、連接方式、操縱機構型式、分離方式、箭體各段結構型式、火箭外形和部位安排。

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

②級數選擇：采用多級火箭可以把飛行期間無用的火箭結構依次拋掉，從而減少能量損失，提高運載能力。每級的發(fā)動機推力、工作時間和分離高度可以靈活調整。過多的級數會使火箭結構和控制變得復雜，降低可靠性和使用性能?；鸺淖罴鸭墧低ǔ儆诎醋钚∑痫w重量所選擇的級數，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，要使火箭結構緊湊，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、實現控制、減小偏差和級間的分離，而且使用方便。

④設計參數選擇：根據給定的入軌點參數(或射程)、有效載荷和推進劑選擇一組最佳的總體設計的參數，用這組參數來確定火箭的重量、推力和幾何尺寸等?？傮w設計參數主要有：發(fā)動機真空比推力（火箭理想速度與它成正比）、火箭質量比（反映火箭結構重量減輕的水平和推進劑的裝填程度）、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)動機噴管的面積比有關，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（反映火箭粗細程度）、多級火箭級間起飛質量比（它影響火箭尺寸及運載能力）。

為選擇總體設計參數需要進行重量分析和軌道（彈道）分析。重量分析是利用統(tǒng)計數據和分析計算方法找出組成火箭各部分重量與設計參數的內部聯(lián)系，從而建立火箭起飛重量與設計參數之間的關系。軌道（彈道）分析是研究火箭主動段終點速度（或射程）與主要設計參數的關系。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的影響。不同運載任務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。彈道導彈設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動方程和控制方程組，利用計算機對不同設計參數的組合進行計算，一般選擇使火箭起飛重量最小的一組設計參數。

⑤參數分配：根據已選定的火箭技術指標、總體方案和設計參數，通過設計和分析提出分系統(tǒng)設計的參數。這項工作包括：計算初始參數，確定火箭的尺寸、容積、重量、重心、轉動慣量和各種偏差，對火箭的空氣動力特性、氣動加熱、飛行軌道程序、標準軌道和偏差、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、制導精度和可靠性等進行計算和綜合分析。

初步設計初步設計是基于初樣產品試驗的又一輪總體設計，為分系統(tǒng)技術設計提供依據。初步設計與方案設計類似，只不過計算公式和計算方法更加細致和精確，并在試驗和反復協(xié)調的基礎上擬制供分系統(tǒng)技術設計的任務書。

技術設計在初步設計的基礎上編制用于指導產品生產、試驗、驗收的工程圖紙和技術文件?？傮w設計協(xié)調各個分系統(tǒng)的設計，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文件。

分系統(tǒng)設計是根據總體設計所提出的要求和設計參數，以類似總體設計的方法進行的，并依此處理它與下層系統(tǒng)和單機（組件）的關系。在研制的各個階段，設計、生產和試驗的信息不斷反饋回總體設計中，經過幾個設計階段的反復協(xié)調、試驗和修改設計，最終完成火箭設計。

NASA宣布重型火箭設計為了進一步探索太陽系，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載火箭的設計方案。這一方案將成為未來幾年內人類太空飛行計劃的支柱。

該重型運載火箭將成為擺脫地球引力的最強有力工具。

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，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NASA 的宏偉目標和遠大理想。但是隨著力圖控制聯(lián)邦財政的預算縮減，該方案也反映了近期遠大抱負的猶豫不決。就在兩年前，NASA 甚至希望建造一個更大的能夠將宇航員重返月球并在月球建立前哨基地的運載火箭。隨著有限的資金，該項目的步伐將會比20世紀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， 預計未來6年內將耗資180億美元。這樣才足以將火箭的運載能力提升至70噸；而目前使用的最大無人火箭的運載能力僅是它的三分之一。預計在2017 年進行首次無人火箭發(fā)射試驗。設計研發(fā)的更大版本很可能將火箭推力變得更強，運載能力足以達到130 噸。（將阿波羅送往月球的土星V 型火箭可能將運載能力提升120噸。）1

SLS 火箭的芯級將采用曾用在航天飛機上的5臺RS-25D/E氫氧主發(fā)動機， 上面級（ 第二級） 采用一臺J-2X 氫氧發(fā)動機。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領域已有的經驗和技術。初步設計要求在SLS 火箭芯級兩側捆綁五段式固體火箭助推器?；鸺趲状纬跗谠囷w時將采用這種設計。不過， 博爾登說，NASA 最終將組織競標， 以用更先進的設計或液體燃料火箭來取代這些側裝助推器?；鸺痫w時， 5臺RS-25D/E發(fā)動機和側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。火箭高近123 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年底進行首次試飛。2