共底貯箱：助力火箭減重增效性能提升

7月26日，我國首個3.35米直徑氫氧共底貯箱的共底順利通過系列靜力試驗考核，將用于新一代中型運載火箭通用氫氧末級。什么是火箭共底貯箱？貯箱采用這種結(jié)構(gòu)，有哪些好處？科研人員需要克服哪些技術(shù)挑戰(zhàn)呢？

樣式不少有講究

共底貯箱經(jīng)常應(yīng)用在國內(nèi)外運載火箭上。顧名思義，它指的是兩個貯箱有一個共用的箱底，稱為共底，總體上看，是一個半球或半橢球形狀的結(jié)構(gòu)件。通過共底結(jié)構(gòu)，上、下兩個火箭貯箱可以連接成一體。

根據(jù)共底的形狀，共底貯箱可以分為上凸式、下凹式和異形結(jié)構(gòu)等樣式。

其中，上凸式即共底向上拱起，下凹式與之相反。上凸式和下凹式都是當(dāng)前共底結(jié)構(gòu)的常見形式，共底具體向哪個方向拱起，主要是根據(jù)上、下貯箱工作時的壓力而定。一般來說，共底應(yīng)該向壓力小的貯箱方向拱起。

上凸式共底應(yīng)用較早。發(fā)射美國第一艘載人飛船的宇宙神D火箭，日本N-1中型火箭，我國成功發(fā)射東方紅一號衛(wèi)星的第一型火箭長征一號，還有長征三號甲系列、長征六號、長征八號等火箭，都是它的“客戶”。

下凹式共底在這方面也不遜色，用戶包括近年風(fēng)頭正勁的獵鷹9可回收復(fù)用火箭、蘇聯(lián)第一種采用全自動發(fā)射技術(shù)的三級火箭旋風(fēng)3號、昔日國際航天發(fā)射市場“霸主”質(zhì)子號火箭、剛剛退役的歐空局阿里安5火箭，還有印度PSLV火箭等。

至于異形結(jié)構(gòu)共底貯箱，較為少見，應(yīng)用先例是阿里安5火箭，其液氫液氧動力二子級最初計劃對液氧貯箱和液氫貯箱分別獨立設(shè)計，并將液氧貯箱懸掛于液氫貯箱下。后來方案改進(jìn)，它們采用了直徑不同的異形結(jié)構(gòu)共底貯箱設(shè)計。

超大直徑共底貯箱正在轉(zhuǎn)運中

從推進(jìn)劑種類上看，共底貯箱可以分為常溫和低溫兩大類。從結(jié)構(gòu)形式上看，共底貯箱又可分為單層和雙層。

火箭具體選擇哪種共底結(jié)構(gòu)，并無一定之規(guī)，一般與推進(jìn)劑的種類相關(guān)：常溫推進(jìn)劑可采用單層共底貯箱，而低溫推進(jìn)劑由于兩個貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑存在溫差，更適合采用雙層真空式或蜂窩、泡沫等夾芯式共底貯箱。

比如，旋風(fēng)3號火箭二級使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑，日本N-1火箭二級則是四氧化二氮/混肼-50推進(jìn)劑，均采用單層共底貯箱。而美國的土星5號重型火箭二級和三級均使用液氧液氫推進(jìn)劑，故采用雙層共底貯箱。

設(shè)計制造有挑戰(zhàn)

液體火箭的貯箱必須容納氧化劑和燃燒劑，進(jìn)而供應(yīng)發(fā)動機(jī)，產(chǎn)生推力，就像汽油與空氣中的氧氣燃燒而推動汽車行駛一樣。通常情況下，氧化劑和燃燒劑可以裝在兩個獨立設(shè)計的貯箱內(nèi)，稱為分體式貯箱。相比之下，共底貯箱需要兼顧兩個貯箱的性能，無論是設(shè)計，還是制造，均具有一定的技術(shù)難度。

共底是共底貯箱設(shè)計的關(guān)鍵，既要能隔熱，又要能承載，堪稱設(shè)計的首要難題。

火箭推進(jìn)劑分為常溫推進(jìn)劑、低溫推進(jìn)劑等，在火箭飛行時，對應(yīng)的發(fā)動機(jī)、管路等都需要在合適的溫度下正常工作。尤其對于低溫推進(jìn)劑共底貯箱，兩個貯箱中的推進(jìn)劑存在溫差，共底需要“隔離”這個溫差。

除了要隔熱外，共底必須承受溫差引起的溫度載荷、上面貯箱推進(jìn)劑的重量、貯箱內(nèi)增壓壓力以及火箭推力、自重等引起的載荷的綜合作用，這些都要求火箭設(shè)計師確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使共底貯箱可以承受內(nèi)外壓載荷及溫度載荷，滿足結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性要求。

此外，共底貯箱的生產(chǎn)制造也更具挑戰(zhàn)性。共底不能發(fā)生破裂，一旦推進(jìn)劑滲漏，就會有爆炸風(fēng)險，因此共底的加工制造對焊接質(zhì)量、材料選取和焊縫控制的要求很高。在焊接過程中，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形，必須保證箱底的局部變形不能太大。

特別是對于低溫共底貯箱來說，共底需要做成雙層并具備隔熱功能。如果隔熱結(jié)構(gòu)采用真空式雙層結(jié)構(gòu)，必須抽真空，在制造及試驗方面都是難度極大的。如果采用蜂窩、泡沫等夾芯式復(fù)合材料，那么復(fù)合材料的質(zhì)量直接影響到共底結(jié)構(gòu)的承載能力。再考慮到復(fù)合材料纖維易出現(xiàn)氣泡、脫粘等缺陷，科研人員必須攻克復(fù)合材料制備成型與粘接等技術(shù)難關(guān)。

尤其是大直徑共底貯箱，對生產(chǎn)制造能力提出了更高要求，必須擁有更大型的加工設(shè)備和成熟的加工工藝，確保產(chǎn)品與設(shè)計參數(shù)吻合，從而解決精確裝配和載荷傳遞等難題。

減重縮短性能高

共底貯箱具備特有的優(yōu)勢，對于運載火箭性能提升幫助很大，至少體現(xiàn)在3個方面。

其一，采用共底貯箱，可以省去一個貯箱箱底的“死重”。

其二，貯箱采用非共底設(shè)計時，每個貯箱均需承受內(nèi)壓作用，實現(xiàn)共底后，可以利用上、下貯箱之間的壓差來抵消各自的內(nèi)壓載荷，進(jìn)一步減輕箱底質(zhì)量。

其三，共底貯箱意味著取消了箱間段設(shè)計，節(jié)省了這部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

不難看出，共底貯箱提高了火箭結(jié)構(gòu)效率，有利于火箭減重，使火箭起飛時可以攜帶更多有效載荷，提高運載能力。同時，火箭長度縮短，優(yōu)化了長細(xì)比，降低了“彈性”，使火箭飛行更加穩(wěn)定。

值得一提的是，近年來國外新研制的運載火箭，如“火神-半人馬座”“星艦”等，多采用下凹式內(nèi)輸運共底貯箱。其推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)布局更簡單，有利于減少推進(jìn)劑的不可用量，進(jìn)一步幫助火箭減重，同時能夠運送更多的有效載荷上天。另外，由于輸送管位于共底貯箱內(nèi)部，減少了火箭外表面的結(jié)構(gòu)凸起，優(yōu)化了火箭的氣動外形。

總之，共底貯箱將兩個貯箱“合二為一”，使火箭結(jié)構(gòu)更輕，飛行更穩(wěn)，能力更強，性能更優(yōu)。隨著設(shè)計、制造、工藝等水平提高，共底貯箱將會越來越廣泛地應(yīng)用于火箭設(shè)計中?！靶　备淖儙碇T多好處，共底貯箱無愧于火箭性能提升的“好幫手”。（作者：莊方方 圖片來源：中國運載火箭技術(shù)研究院 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）