火箭整流罩毕业论文

火箭起源于中国，是我国古代的重大发明之一，早在宋代就发明了火箭，在十三世纪以前，中国的火箭技术在世界上遥遥领先，火箭是热机的一种，工作时燃料的化学能最终转化成火箭机械能.现代火箭用来发射探测仪器，以及人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等空间的飞行器.目前各种型号的中国火箭有： 1、长征一号是我国第一枚三级运载火箭.它以两级液体火箭为基础，加固体第三级.固体发动机由固体发动机研究院研制.全箭由中国运载火箭技术研究院技术抓总.箭长29．46m，最大直径2．25m，起飞质量81．5t，起动推力达106 N.二、三级有转接锥壳相连.第三级与第二级完全分离后，起旋火箭点火，使第三级在空中自由起旋.整流罩用水平抛脱.长征一号火箭具有将300 kg的卫星射入倾角为70°、高为440km的圆轨道的运载能力. 1970年4月24日，“长征一号”运载火箭在酒泉发射中心首次发射我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”，再次发射把实践一号科学实验卫星送入轨道. “长征一号”的改型，“长征一号丁”，在原一二级基础上，更换三级固体发动机，将使其近地轨道的运载能力达到700kg～750kg. 2、长征二号两级液体运载火箭，全箭长约32m，最大直径3．35m，起飞质量190 t，一级装有4台发动机，地面推力为2．8×106 N，二级主发动机真空推力7．3×105 N，还有4个可以遥控的游动发动机(总推力4．7×104N)，能将1．8 t的有效载荷送入近地轨道，1974年11月首次发射，由于一根导线有暗伤，导致飞行试验失败.1975年11月发射返回式遥感卫星准确入轨.接着，又发射两次，均获成功. 随着卫星对火箭运载能力要求的提高，“长征二号”火箭也作了相应的技术状态的修改，使技术性能和运载能力均有所改进和提高.近地轨道运载能力达到2．5 t左右，命名为“长征二号丙”，多次发射均获得成功.发射表明：“长征二号丙”设计方案正确，性能稳定，质量可靠，获得国内外同行的好评. 3、长征二号E即长征二号捆绑火箭，中国运载火箭技术研究院研制的第一枚推力捆绑式(也叫集束式)运载火箭，它是以经过改进的“长征二号丙”火箭作芯级(一级加长4．6 m，二级加长5．2 m)第一级箭体上并联4个长15．3 m，直径2．25 m的液体助推火箭.上面级和卫星都装在直径4．2 m，高10．5 m的整流罩内，全箭长49．7 m，芯级直径3．35 m，芯级一级发动机4机关联，加上4枚助推火箭，总推力为6×106N，可把8．8 t有效载荷送入200 km的圆轨道，1988年底获准研制，只用了18个月的时间，实现了预定目标.1990年7月16日首次发射，一举成功，把一颗巴基斯坦的科学试验卫星和一模拟有效载荷准确送入轨道.用如此短的周期，研制成功一个新型大推力运载火箭，这在我国是史无前例的，在世界航天史上也属罕见，它为我国发展载人航天技术和满足国际卫星发射服务市场的需要奠定了基础.1992年为澳大利亚发射两颗美制第二代通信卫星. 这种火箭，如配以中国的固体推进剂的上面级可将3 t的有效载荷送入同步转移轨道；如配以液氢液氧推进剂上面级，构成“长征二号E/HO”，其同步轨移轨道的运载能力将达到4．8t. 4、长征三号是以“长征二号丙”为原型加氢氧第三级组成的三级运载火箭.由中国运载火箭技术研究院负责总设计和研制第三级，第一、第二级由上海航天局承制，全箭总长44．56 m，起飞质量202 t，起飞推力2．8×106 N，第三级氢氧发动机在高空失重条件下二次启动.其同步转移轨道推力为1．4×104N.1984年1月29日首次发射，由于第三级发动机二次启动不正常，卫星进入近地轨道运行.经过70个昼夜的奋斗，4月8日再发射，获得圆满成功. 1990年4月7日，“长征三号”为香港卫星通信有限公司成功地发射了亚洲一号通信卫星，标志着中国的长征系列运载火箭开始步入国际卫星发射服务市场. 5、“长征三号甲”“长征三号甲”是为发射新一代通信广播卫星而研制的新型运载火箭.它在“长征二号”运载火箭的基础上，采用了多项先进技术，同步转移运载能力由原来的1．4 t提高到2．5 t，它是一种大型三级液体火箭，全长52．5 m，直径和整流罩均超过长征三号，起飞质量241 t，起飞推力3×106 N，火箭质量近40 t，自1986年2月开始研制，重大技术有30多项，其中火箭的三级推力氢氧发动机，冷氦加温增压系统，动调陀螺四轴平台，低温氢气能源双向摇摆伺服机构等4项技术已属世界一流.我国航天科技工作者倾注8年心血研制的这种运载火箭，至今发射3次，均获成功，巍巍长箭涉三关，在我国航天史上写下一页新的篇章. 首试锋芒送双星.1994年2月8日北京时间下午4时34分，最新研制的“长征三号甲”运载火箭在西昌卫星发射中心点火起飞，将一颗“实践4号”空间探测卫星和一颗模拟卫星送上太空. 前功尽弃经磨难.第二枚“长征三号甲”运载火箭于1994年11月30日凌晨1时2分在西昌卫星中心发射成功，火箭点火升空后，经过24分钟飞行，把我国新一代通信卫星“东方红3号”送入近地点20．58 km，远地点36 220 km的地球同步转移轨道，卫星完成第三次变轨，进入巡航姿态.经过三次变轨后，卫星已在准同步轨道上运行.由于星上姿态控制推力器燃料泄漏，未达到进入同步轨道的目的.1997年5月12日，“长征三号甲”运载火箭第三次发射，成功地将“东方红3号”通信广播卫星送入预定轨道. 6、长征三号乙我国自行研制、目前运载能力最大的新型捆绑式运载火箭“长征三号乙”于1997年8月20日凌晨从西昌卫星发射中心成功地将菲律宾卫星送入轨道，这表明长征系列运载火箭具备了能把5 000 kg有效载荷送入高轨道的能力.这是长征火箭第46次成功发射，也是中国长城工业总公司第12次执行商业发射服务合同. “长征三号乙”火箭全长54838 m，起飞质量426t，可将5000 kg的有效载荷送入倾角为28．5°的地球同步转移轨道，它充分继承了长征系列的芯级除贮箱加长，结构加强及整流罩加大以外，与长征三号甲火箭相同，也具有在真空条件下二次启动能力的氢氧发动机技术和同轴挠性平台等技术.火箭一级周围捆绑的4个助推器，与长二捆火箭完全相同.由于捆绑了助推器，其控制和遥测系统在长三甲的基础上作了相应的修改，是中国长征系列火箭中高轨道运载能力最大的火箭. 马部海卫星是美国劳拉空间系统公司在fs1300平台的基础上设计的三轴稳定地球同步通信卫星，它共有30个C波段转发器和24个KU波段转发器，能向菲律宾、中国和东南亚地区提供语言、图像和数据传输等通信服务.马部海卫星是亚洲地区功率最大的通信卫星，其最大分离质量约3770kg，在轨道寿命超过12年.它将定点在东经144暗某嗟郎峡 .1997年10月17日凌晨3点13分，长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心又一次发射升空，将亚太二号R通信卫星成功送入预定轨道，远地点47 922 km近地点201 km，倾角24．4º，卫星质量3 700 kg，此次发射是长征系列运载火箭是48次发射. 7、风暴一号是两级运载火箭.由上海航天局研制，火箭长32．6 m，直径3．35 m，起飞推力2．8×106 N，起飞质量191 t，推进剂为四氧化二氮和偏二甲肼.一级发动机由四台可切向摇摆的游动发动机组成，二级发动机由一台主发动机和四台可切向摇摆的游动发动机组成.制导系统采用平台一计算机全惯性系统，姿态控制采用有源网络校正装置，贮箱采用主强度铝合金材料，采用自然增压方案.“风暴一号”可把1 500 kg的有效载荷送入近地轨道. 为了提高运载能力，采用了大幅度减轻结构重量，降低发动机混合比偏差，一级采用耗尽关机.二级主发动开机后采用游动发动机小推力飞行入轨等措施.为了提高轨道精度，采用了速度导引有机结合的制导方法，为了用一枚火箭发射三颗卫星，攻克了结构动力学和多星分离运动学的技术关键. 1975年以来，“风暴一号”先后发射了六颗卫星.它们是三颗科学技术实验卫星和1981年9月20日用一枚“风暴一号”运载火箭成功发射的三颗卫星. 8、长征四号是一种多用途三级常温推进剂运载火箭，具有性能优良，结构可靠，成本低廉，发射场通用，使用方便等特点，由上海航天局研制. “长征四号”采用四氧化二氮和偏二甲肼推进剂，全长41．9 m，改进的一、二级直径为3．35 m，新研制的三级直径为2．9 m，火箭起飞质量249 t，起飞推力3×106N.“长征四号”在总体上进行了优化设计，加长一级推进剂贮箱4 m，加大一级发动机推力2×105N，三级采用两台5×104N推力的发动机，减轻结构设计质量约300 kg，使火箭的运载能力大幅度提高，该火箭运送地球同步转移轨道卫星的运载能力为1 250 kg，运送900 km高度的太阳同步轨道卫星的运载能力为1 650 kg.“长征四号”在国内大型运载火箭上首次应用了数字式姿态控制系统.三子级全程氮气压力值增压输送系统，三子级双向摇摆发动机.无水肼表面张力定箱，三级单层高强度铝薄壁共贮箱等多项先进技术. 1988年9月7日和1990年9月3日，“长征四号”运载火箭两次发射太阳同步轨道“风云一号”气象卫星均获圆满成功.“长征四号”具有两种不同直径的卫星整流罩，可适应不同质量和尺寸的有效载荷，也可一箭多星发射，这为承担多种卫星的发射业务，特别是为发射同步轨道和极地轨道卫星创造了有利的条件. 附： 主要数据 长/m 芯级最大直径/m 起飞推力/N 运载能力/t 轨道/km 长征一号 29．46 2．25 1．04×106 0．3 400 长征二号 32 3．35 2．8×106 1．8 近地 长征二E 49．7 3．35 6×106 8．8 200 长征三号 44．56 3．35 2．8×106 1．4 同步轨道 长三甲 52．5 3．35 3×106 2．5 同步轨道 长三乙 54．848 3．35 5．0 同步轨道 风暴一号 32．6 3．35 2．8×106 4．8 200 长征四号 41．9 3．35 3×106 1．25 同步轨道

卫星整流罩设计与“三化”卫星整流罩设计与“三化”李耀民摘要 对国内外几个典型的运载火箭整流罩进行了综合论述,较系统地阐述了卫星整流罩的组成、功能、结构形式、分离系统以及抛罩试验情况，并对卫星整流罩的设计思想、设计要求及今后如何开展卫星整流罩的“三化”(系列化,规范化,组合化)设计提出了具体意见和建议。1 前 言当运载火箭在大气中飞行时,卫星整流罩用于保护卫星及其它有效载荷,以防止卫星受气动力,气动加热及声振等有害环境的影响。它是运载火箭的重要组成部分。根据运载任务的不同,每种型号的运载火箭都具有一种或多种形状的卫星整流罩,如单星罩、双星罩、多星罩等。就长征系列运载火箭而言,也有各自系统的卫星整流罩。随着长征系列运载火箭逐步进入国际发射市场及国内发射任务的不断增加,一种型号运载火箭也将具有多种形状的卫星整流罩，以满足不同发射任务的需求。如果按任务来设计卫星整流罩,势必增加研制周期,提高发射成本。国外统计数据表明,完全定制的卫星整流罩的费用,大约比标准整流罩的费用高出75%,为此各国正在积极开展卫星(有效载荷)接口标准化,分离通用化以及卫星整流罩标准化和罩内预封装技术的研究。这不但可以大大降低发射费用,缩短发射准备时间,而且可以提高发射的成功率和可*性。目前,长征系列各型号在卫星整流罩设计方面,出现了结构雷同、形状各异的多品种卫星整流罩,造成人力、物力、财力和研制周期的浪费。开展卫星整流罩的“三化”(系列化,规范化,组合化)设计已成为当务之急。本文针对目前存在的问题,通过对国内外几个典型运载火箭卫星整流罩的设计进行综合论述,从中获取一些有益于开展“三化”设计的东西,以提高卫星整流罩设计的标准化水平。卫星整流罩的组成及功能2.1 卫星整流罩的组成卫星整流罩一般为蚌壳式(两半)结构,由端头、前锥段、圆筒段、倒锥段和纵向及横向分离机构等组成2.2 卫星整流罩的功能卫星整流罩的功能有：a) 保护卫星不受气动力的作用;b) 保护卫星不受气动加热的作用;c) 解锁分离系统保证卫星整流罩顺利分离;d) 当运载火箭处于临射状态时,可对整流罩内的温度、湿度进行调节,以保证卫星不受低温和环境的影响;e) 保护罩内卫星不受各种烟雾环境的污染。3 卫星整流罩的结构形式卫星整流罩可以分圆锥-圆筒形(图2)和圆锥-圆筒-倒锥形(图3)两种。3.2 按结构形式分3.2.1 半硬壳式铝合金铆接结构半硬壳式铝合金铆接结构是由蒙皮/桁条/隔框铆接而成的半硬壳式结构。美国宇宙神和宇宙神/人马座运载火箭卫星整流罩就是采用这种结构。欧洲阿里安1运载火箭卫星整流罩也是半硬壳式结构,其端头为不锈钢半球形鼻锥,前锥段用铝合金加软木保护层制成,圆筒段由金属蒙皮和隔框/桁条制成,倒锥段为在两层凯夫拉纤维壁板间充填环氧树脂的蜂窝结构,倒锥段内壁为金属桁条加强结构。3.2.2 复合材料夹层结构和铝合金蜂窝夹芯结构共用的复合结构根据卫星整流罩部位的不同,采用了多种复合结构,如美国的大力神3运载火箭卫星整流罩采用了碳/环氧蒙皮和铝蜂窝夹芯结构，欧洲阿里安4采用了碳纤维、玻璃钢纤维混合增强的环氧复合材料蒙皮和铝蜂窝夹芯胶接夹层结构。阿里安5则改为碳纤维增强塑料蒙皮和铝蜂窝芯的夹层结构。日本H-2运载火箭卫星整流罩的端头帽是用铝合金制成的一体成形件,锥段和筒段均采用了铝合金蜂窝夹层结构。为了防止气动加热的影响,在端头帽和锥段涂有二氧化硅系的耐热涂层。CZ-3运载火箭卫星整流罩的端头采用了玻璃钢结构,前锥段采用了非金属玻璃钢蜂窝夹芯结构,筒段为铝合金蜂窝夹芯结构,而倒锥段则为化铣网格结构。到CZ-3A时,端头改用玻璃钢复合材料,前锥和筒段均为铝合金蜂窝夹层复合结构,外表面贴软木防热。CZ-2E运载火箭卫星整流罩的端头为玻璃钢层压结构,前锥段为玻璃钢面板和玻璃钢夹芯的胶接夹层结构,圆筒段和倒锥段采用铝合金面板和铝合金蜂窝夹芯的胶接夹层结构。3.3 按分离方式分3.3.1 过顶式分离的整体罩结构卫星整流罩为一整体,分离时整流罩向前推,直到卫星完全脱离。3.3.2 剥离式分离的蚌式结构整流罩沿纵向分开成两半,象一个蚌壳,*箍带或锁销、爆炸螺栓和无污染导爆索连接在一起,成为一个受力构件。分离冲量装置有弹簧、火药弹射筒、冷气射流和无污染导爆索。目前大型卫星整流罩普遍采用这种结构。运载火箭卫星整流罩的结构参数见表1～2。4 卫星整流罩结构设计准则a) 卫星整流罩外形选择要使抖振载荷和迎面阻力达到最小。头部半锥角一般取15°≤θ≤25°,端头半径r与罩的最大直径D之比应在0.3≤2r/D≤0.7范围内。倒锥角δ的选取要考虑下面3个因素:1) 火箭的静稳定度下降;2) 抖振载荷是否增大;3) 附面层分离的可能性。b) 整流罩要有良好的无线电波穿透性。为了满足有效载荷与地面站之间通信联系和遥测的需要,要专门设计透过无线电波的倒锥段。而在圆筒段上可以开无线电波窗口。c) 要有相当大的有效空间(净空间)。整流罩内有效空间容积为35～40 m3 ,净空间过小会发生机械卡死使分离失败。d) 整流罩上要开若干个窗口。为了便于对各种仪器进行检修和更换,要开若干个操作窗口,如卫星与地面设备相连的脱落插头插口。此外, 还要开若干个放气孔,以保证在飞行过程中泄放罩内气体,使罩内气压与罩外气压保持平衡,以免在飞行过程中罩内过压导致结构破坏。e) 整流罩结构的轻量化。虽然卫星整流罩在飞出大气层(大约100～140 km上空)后被抛掉,但减轻整流罩的结构重量仍然是十分重要的。目前采用的复合材料蜂窝结构和铝蜂窝夹芯结构比半硬壳式结构轻约30%。考虑到玻璃钢结构重量比常规铝蜂窝夹层结构和半硬壳式结构重,在不要求全向透波时,尽量少用玻璃钢结构。f) 整流罩防热及降噪设计。根据环境条件要求,整流罩内温度和声载环境要进行控制。质子号运载火箭卫星整流罩射前罩内温度控制在14～26.7℃,最大湿度50%,分离前最高温度为33℃,最大声载130 dB。宇宙号罩内最高温度可达180℃,最大声载140 dB。H-2罩内壁热辐射500 W/m2 ,声载141 dB。CZ-3罩内温度≤70℃,罩内壁温度≯300℃,声载约148 dB。为此,在整流罩结构设计时,要采取防热和降噪措施。g) 整流罩的吊装和运输。随着运载能力的不断提高,卫星整流罩的结构尺寸由过去的罩长2.4 m增加到13.3 m。罩径由1 m增加到5.5 m,这对产品的吊装和运输带来诸多的不便。为此在结构设计时均采用了分瓣运输,整体吊装方案。CZ-2E卫星整流罩就采用了四瓣运输,两两对接组合成两半罩再组合吊装。5 卫星整流罩分离系统分离系统的功能是当运载火箭飞出大气层后,卫星整流罩的作用已完成,就将其从运载火箭上分离出去,并且使整流罩与卫星和运载火箭之间有足够的分离距离。分离系统包括纵向分离系统和横向分离系统。当两套系统引爆时,几乎同时分离(仅差0.1 s),完成抛罩任务。5.1.1 平推分离方案采用横向包带解锁,纵向无污染导爆索平推分离。其原理是:导爆索点火后产生的燃气通过内外衰减管进到软胶囊,体积膨胀的胶囊剪切断铆钉,将半罩以一定的速度推开,实现分离。这种方案对卫星不会有任何污染,解锁与分离机构合一,简化了结构,提高了可*性,是一种比较理想的分离方案。德尔它、阿里安、H-1等运载火箭都采用了此种方案。分离系统工作原理图见图4～6。