火箭設計

[拼音]:huojian sheji

[英文]:rocket design

大型火箭的設計繼承了飛機設計的理論和方法,在現代先進科學技術和工業的基礎上已發展成為一門新興的工程技術。它是航天工程的重要組成部分(見飛行器設計)。

設計特點

火箭由於自身的特點,它的設計不完全同於其他的飛行器設計。火箭設計的特點是:

(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,並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,它的工作環境比其他飛行器惡劣(見火箭工作環境),火箭的各種裝置和結構承受這種環境的能力也需要相應提高,適應環境的設計是火箭設計的一項十分艱鉅的工作。

(3)火箭自身不需要人的生命和生活保障系統。

(4)多數火箭的箭體設計只考慮運輸、發射和飛行載荷,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;要設計太空梭,必須預先造出能多次使用的高效能火箭發動機,解決複雜的氣動、載荷、姿態控制、返回回收等技術。

(6)火箭設計受運載任務的制約較大。火箭的軌道、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

在火箭研製中,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、花費少和週期短。火箭設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,還有戰術指標(統稱戰術技術指標)。它包含射程、戰鬥部重量和威力、命中精度、突防能力、可靠性、發射方式和發射準備時間、運輸條件和使用環境條件等。

方案設計

方案設計包括選擇總體引數、確定總體方案和對分系統提出初樣研製任務書。在選擇總體引數前須確定推進劑和發動機型別、級數、連線方式、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:推進劑佔火箭起飛重量的80~95%,直接影響火箭的運載能力、發動機型式、彈道特性和使用效能。液體推進劑效能高、推力控制方便。固體推進劑可使火箭尺寸小、系統簡單、發射準備時間短、起飛加速快。選擇推進劑是為了獲得儘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。用於導彈的推進劑,要求在使用溫度範圍內和長期貯存中物理和化學效能穩定。

(2)級數選擇:採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複雜,降低可靠性和使用效能。火箭的最佳級數通常應少於按最小起飛重量所選擇的級數,一般選二級、三級或四級。多級火箭的連線有串聯式、並聯式或混合式三種型式。

(3)火箭的總體佈局:又稱部位安排(見圖)。合理安排火箭各部段和元件的位置,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定性,有利於安裝敏感元件、實現控制、減小偏差和級間的分離,而且使用方便。

(4)設計引數選擇:根據給定的入軌點引數(或射程)、有效載荷和推進劑選擇一組最佳的總體設計的引數,用這組引數來確定火箭的重量、推力和幾何尺寸等。總體設計引數主要有:發動機真空比推力(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)、比衝比(即真空比衝與地面比衝之比,與發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)。

為選擇總體設計引數需要進行重量分析和軌道(彈道)分析。重量分析是利用統計資料和分析計算方法找出組成火箭各部分重量與設計引數的內部聯絡,從而建立火箭起飛重量與設計引數之間的關係。軌道(彈道)分析是研究火箭主動段終點速度(或射程)與主要設計引數的關係。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並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(見發射彈道與入軌)。發射低軌道衛星時,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停火點速度的大小和方向。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引數的組合進行計算,一般選擇使火箭起飛重量最小的一組設計引數。

火箭設計

(5)引數分配:根據已選定的火箭技術指標、總體方案和設計引數,通過設計和分析提出分系統設計的引數。這項工作包括:計算初始引數,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、飛行軌道程式、標準軌道和偏差、箭體的動力特性和液體晃動特性、載荷、輸送系統的增壓、飛行穩定性、制導精度和可靠性等進行計算和綜合分析。

初步設計

初步設計是基於初樣產品試驗的又一輪總體設計,為分系統技術設計提供依據。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緻和精確,並在試驗和反覆協調的基礎上擬製供分系統技術設計的任務書。

技術設計

在初步設計的基礎上編制用於指導產品生產、試驗、驗收的工程圖紙和技術檔案。總體設計協調各個分系統的設計,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檔案。

分系統設計是根據總體設計所提出的要求和設計引數,以類似總體設計的方法進行的,並依此處理它與下層系統和單機(元件)的關係。在研製的各個階段,設計、生產和試驗的資訊不斷反饋回總體設計中,經過幾個設計階段的反覆協調、試驗和修改設計,最終完成火箭設計。

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