运载火箭弹道优化设计毕业论文

利用动量守恒定律。火箭在飞行时，燃料和氧化剂在燃烧室中燃烧，背着飞行方向不断地喷出大量速度很大的气体，使火箭在飞行方向上获取很大的动量，从而获得巨大的前进速度。如果飞行的宇宙飞船减速或着陆时，则向其前方喷气使其减速。它不依靠空气的作用，所以可以在空气稀薄的高空或宇宙空间飞行。在现实生活中，我们经常会看到这样的现象，一个充足气的气球拿在手上，突然放手时气体会从气球中喷出来，这时气球就向着相反的方向飞出去，这种运动遵循动量守恒定律，在物理上我们称作为反冲。随着科技的不断发展，科学家们已经发明制造了各种型号的火箭，这些火箭内部构造互不相同而且都相当复杂。

火箭发射后的运动轨迹实际上就是火箭的弹道。火箭的弹道设计在火箭总体设计中是重要的一项内容，关系到火箭总体方案中的运载能力是否能够在弹道约束下满足。对这点做下解释，运载火箭要将有效载荷送入轨道，除了要满足入轨的轨道要求外（可以理解为弹道终点即为航天器的轨道起点），还要满足运载火箭的残骸落区要求，分离后的子级一方面要避开人口聚集区，也要避免落在其他国家领土领海，从而引起不必要的冲突，所以火箭的飞行轨迹（弹道）是在火箭发射前就已经根据目标轨道的参数确定好了。在火箭发射前根据发射场气象条件（地面风速等）对弹道进行修正后，修正后的弹道被装订到火箭的飞行程序中。这就意味着，火箭的飞行轨迹理论上来说是应该按照装订好的弹道飞行程序飞行的。火箭最完美的飞行轨迹应该是理论上计算的弹道轨迹。如果不考虑各种偏差及随机干扰，所有的情况都和设计时预想的一样的话，火箭在点火起飞后，控制系统根据装订的飞行程序，按照时序控制发动机的伺服机构，从而控制发动机喷管的摆动，提供火箭进行程序转弯等动作的的控制力，实际上控制力是发动机推力的一个方向的分量。从而完成火箭的弹道飞行。但这个过程实际上是理论上的，可以看出这是一个开环控制的过程。但是在实际情况中，火箭飞行时会遇到风切变、各种飞行误差的累计，从而会使得火箭的实际飞行弹道偏离计算的弹道轨迹。在这种情况下，如果还按照预定的动作执行控制，势必不能准确入轨。所以，在这里就需要根据飞行误差进行弹道的修正。要进行误差的修正，需要先对误差进行识别和敏感，这就涉及到火箭的各种姿态、位置的敏感器件，实际上这是导航和制导系统需要完成的工作内容：对火箭的实际飞行位置和姿态进行感知、敏感和判断，火箭的控制系统根据实际飞行情况与预先装订的弹道进行对比，根据计算出的偏差，发出控制指令，伺服机构控制喷管摆动，完成弹道轨迹的修正。这样，整个火箭的控制变成了一个闭环过程

导读： 土星5号运载火箭（英文：Saturn V），译农神五号，亦称为月球火箭，是美国国家航空航天局（NASA）在阿波罗计划和天空实验室计划两项太空计划中使用的多级可抛式液体燃料火箭。

一、

土星运载火箭简介

土星5号运载火箭是土星运载火箭系列的一个型号。土星运载火箭是在红石导弹（Redstone）和丘辟特导弹（Jupiter）的基础上开始研究的，包括土星1号、土星1B号和土星5号三个型号，由马歇尔太空飞行中心总指挥沃纳•冯•布劳恩与他的火箭团队设计研发。

起初，马歇尔太空飞行中心为执行不同的航天任务而设计了不同的几种火箭，其中C-1火箭是土星1号运载火箭的原型，C-2、C-3和C-4火箭都终止于设计阶段。直到1961年下半年，C-5火箭的构型得到确认。1963年，NASA确认选择C-5火箭作为阿波罗计划的运载火箭，同时给了这枚火箭一个新的名字——土星5号。

二、

土星运载火箭发动机

1、H-1发动机

土星1号和土星1B号的第一级均采用8台H-1发动机。H-1是一种液氧/煤油火箭发动机，源自于纳瓦霍导弹，能产生20万磅力(约90吨)推力。后来发动机推力增加到20.5万磅力(约93吨)。

2、RL10发动机

土星1号第二级采用6台RL10发动机。RL10发动机是美国研制的第一种液氢燃料火箭发动机，其改进版被用于多种运载器。该发动机第一次地面试车是在1959年，成品的第一次飞行是在1963年11月。RL10发动机发展出了众多的型号，包括RL10A-1、RL10A-3、RL10A-3A、RL10A-4、RL10A-4-1、RL10A-4-2、RL10A-5、RL10A-5KA、RL10B-2、RL10C等；目前应用较为广泛的型号是RL10B-2，用于德尔塔3型和德尔塔4型火箭的第二级。

在NASA于2005年宣布的猎户座宇宙飞船计划中，月球着陆舱(LSAM)采用四台RL10为下降段提供主动力，这能为NASA在登月项目上节约大量资金。另外，通用可扩展低温发动机（CECE）正是依据RL10发动机设计制造的。

3、F-1发动机

与土星1号和土星1B号不同的是，土星5号第一级放弃了H-1发动机，而是采用了推力更大的F-1发动机。

F-1发动机研制过程

F-1发动机（以下简称F-1）是在美国航宇局和马歇尔太空飞行中心领导下于1958-1967年由洛克达因公司研制和生产的。发动机在1967到1973年服役。F-1最早的研制时间可以再上溯到1955年美国空军提出的445吨推力发动机计划。经过两年的技术攻关，参与计划的工程师们完成了各种技术细节的研究，做出了包括一台全尺寸的推力室在内的一些测试部件。1959年3月，原型机开始正式点火测试，成功达到了445吨的推力要求。

1959年1月，NASA与洛克达因公司签订了F-1的设计和研制合同，随即开始了F-1的研制。1959年初，做出使用InconelX管制成再生冷却推力室的决定（InconelX系列的合金后来还用到了X-15验证机、SpaceX的火箭、F1方程式赛车、特斯拉的ModelS等产品上面）。

为了将管束固紧在一起，美国修建了最大的燃气钎焊炉，并成功研制了钎焊法，第一台燃烧室于1961年8月17日钎焊成功。其他主要工程均于计划开始后三个月内展开。1959年2月，开始建造爱德华基地，建设三个试车台和地面设备。

1960年3月，全尺寸燃气发生器建造完成，同年11月，涡轮泵制造并组装完成。1961年4月，安装了以上两个部件的系统首次短程试车成功，峰值推力达到729.5吨。1961年7月整台F-1于100万磅（453吨）推力下首次通过短程热试车。

1961年11月，F-1涡轮泵首次以全功率(6万马力)工作时间进行了试验。6个月后，F-1以150万磅（680吨）全推力在大约2.5分钟飞行时间下进行了试车。在不到2个月后，NASA宣布批准洛克达因公司生产55台F-1的合同，并继续进行研究直到1966年。

1964年12月16日，F-1完成了飞行额定试验。NASA宣布准备并联试验和飞行试验。这些试验仅在一个月内就完成了，而通常需二到三个月才能完成。F-1组合件试验于1966年初夏完成。最后的鉴定试验于1966年9月完成。发动机首次飞行是在1967年11月9日进行的。

F-1发动机结构与性能

F-1发动机以燃气发生器循环为基础，在燃气发生器内燃烧一小部分燃料，产生燃气以驱动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入主燃室，燃料和氧化剂混合并燃烧产生推力。发动机顶部是一个半球形小室，小室之下是喷射器，用来混合燃料和氧化剂。

一部分燃料进入喷射器，另一部分燃料通过178根管道直接通入推力室。盘旋的管道形成了推力室的上半部分，管道里面流过的低温燃料可以起到给推力室降温的作用，同时又充分预热了燃料自身。

燃料和液氧由不同的泵泵入，但泵由同一个涡轮驱动。涡轮转速为5500RPM，可产生55000制动马力(41MW)。在此功率下，每分钟可泵入58564升煤油和93920升液氧。涡轮泵可以应付严酷的温度环境：煤气的温度高达816℃，而液氧的温度低至-184℃。一些燃料煤油被用作涡轮的润滑剂和冷却剂。

推力室下方是喷嘴的延伸，大致延伸到发动机的一半长度位置。延伸部分将发动机的膨胀比从10:1提高到16:1。涡轮机排出的低温气体通过锥形歧管进入延伸部分，保护喷嘴在高温(3200℃)下不受损坏。

随着任务的进展，土星5号火箭的负荷逐渐增大，每次任务对发动机的性能要求略有差异。

洛克达因公司在F-1基础上开发出了新款的F-1A发动机。F-1A比F-1更轻，且推力更大（达到927吨），然而随着土星5号生产线的停产，F-1A发动机从未使用过。从上世纪70年代开始，不断有各种关于使用F-1来开发新型火箭的意见，但都未能成行。F-1一直保持着最强单燃烧室液体火箭发动机的地位。

4、J-2发动机

J-2发动机概况

J-2发动机由洛克达因公司制造，发动机最初的设计可以追溯到1959年Silverstein委员会的建议。洛克达因公司在1960年6月获得了研发J-2发动机的许可，初次飞行在1966年2月26日进行。

J-2发动机以低温液氢(LH2)和液氧(LOX)为推进剂，是美国在RS-25发动机之前曾生产的最大的液氢燃料火箭发动机，每台发动机在真空中能产生105吨的推力。J-2真空比冲为421秒，海平面比冲为200秒，质量约为1788kg。除了土星5号，曾有在其他大型火箭的上面级上使用多台J-2发动机的提议，例如Nova火箭。

J-2发动机工作原理如下：少量氧和氢进入燃气发生器并燃烧，产生的燃气依次推动氢涡轮泵和氧涡轮泵，最后将燃气注入喷管作为气膜冷却。液氢由氢泵加压后，先全部用于冷却喷管，然后大部分进入燃烧室作为燃料，小部分进入燃气发生器。液氧由氧泵加压后大部分直接进入燃烧室，小部分进入燃气发生器。J-2只有主泵，没有预压泵。

J-2发动机用于土星5号的S-IVB级时，能在关机之后再次点火。第一次点火持续约2分钟，将阿波罗飞船送入一个近地停泊轨道。在乘员确认飞船运转一切正常之后，J-2发动机重新点火，将航天器组合体加速送上奔月轨道。

J-2发动机在它的 历史 中进行了数次较小的改进，以提高发动机的性能。此外还有2次大型升级计划，包括采用拉伐尔喷管的J-2S和采用塞式喷管的J-2T，但两者在阿波罗计划结束后都被取消了。

J-2S

1964年，洛克达因公司为了改进J-2的性能而研发了这个试验版本，最主要的改动是将燃气发生器循环换成抽气循环，即通过燃烧室上的管道供应热气体，而不是通过独立的燃烧器。这些改动除了要移除发动机上部分结构，还降低了发动机启动的难度并妥善地协调了各燃烧室的关系。

其他的改动还包括节流系统、可变的燃料混合系统。还有一个新的“空闲模式”，它提供很少的推力，可用于在轨机动，或在再次燃烧之前稳定燃料箱。

试验中，洛克达因公司生产了六台样机，命名为J-2S。从1965到1972年，这些样机总共试车30858秒。1972年，美国当局决定不再生产土星5号，该发动机的研制也告一段落。而NASA考虑将J-2S用于其他用途，在众多航天飞机方案中，其中就有用五台J-2S来驱动的方案。

J-2T

J-2T是给J-2S加装一个新的塞式喷管，这会显著提高发动机的性能。试验用的两台发动机，J-2T-200k达到了20万磅力(90吨)的推力，J-2T-250k达到了25万磅力（113吨）。J-2T的研制工作也随着阿波罗计划的停止而停止。

J-2X

J-2X是J-2的一个新版本，它曾被计划用于已经取消的 星座 计划和奥赖恩载人飞船。原先的计划是使用两台J-2X来驱动地球出发级（EDS），每台J-2X将提供29.4万磅力（133吨）。J-2X将比J-2效率更高且更简单，但比航天飞机发动机成本低。J-2X的研究工作持续到2013年，目前已暂停。

三、

星5号火箭一级（S-IC级）

土星5号第一级（S-IC级）的两个箭体试制件由马歇尔太空飞行中心制造，并分别在阿波罗4号和阿波罗6号中得到验证。1961年12月，波音公司拿到了S-IC级的生产合同，S-IC推进器在位于路易斯安那州新奥尔良的波音公司密乔装配厂中建造。这家工厂也负责建造航天飞机外部燃料箱。

S-IC级推进器的高度达42米，直径10米（不包含尾翼），净重131吨，装满燃料后重量将近2300吨。五个F-1发动机排成十字型，中心的发动机位置固定，周围的四个发动机可以通过液压转向以控制火箭。

在飞行中，中央的发动机要比周围的发动机早关闭26秒，以限制加速度。在发射中，S-IC推进器将工作168秒钟（升空7秒前点火），随后发动机关闭。此时火箭的高度大约是68千米，而火箭大约飞行了93千米，速度达到2390米/秒。

在发射时，5台F-1火箭发动机产生3405吨的推力，这么大的推力需要坚固的承力结构。S-IC级有着整个火箭上最大的零件：5台主发动机的承力支架主梁，重21吨。

S-IC级的结构设计反映了F-1发动机、推进剂、控制、仪器和连接系统的要求，结构的主要材料为铝合金。主要包括：前裙、氧化剂箱、箱间段、燃料箱和推力结构。

前裙

前裙连接氧化剂箱与S-II级，包括前脱落插头连接板、电气和电子仪器盒、液氧箱和级间段的排气系统。前裙的外蒙皮用7075-T6铝合金制成，并用隔框和桁条进行了加强。

氧化剂箱

氧化剂箱的容量约136万升，箱壁由经机械铣成的T形剖面整体加筋加强，加筋上连接环形隔板。箱底上安装的十字形板用来防晃和消旋。贮箱为一个2219-T87铝合金的圆筒，上、下有两个半椭球形的箱底。氧化剂箱蒙皮厚度不等，后段厚0.25英寸，前段厚0.19英寸，分八段逐渐变薄。

箱间段

箱间段结构用来保持液氧箱和燃料箱之间的连续性，内部有与箱间脱落插头连接的液氧加注和排泄接头。蒙皮壁板和环框全部用7075-T6铝合金制成。

燃料箱

燃料箱容量约817649升，上、下有两个半椭球形的箱底，贮箱内壁上安装防晃板，箱底有十字形消旋板。由液氧箱引出的五条输送管穿过燃料箱，通到F-1发动机。箱底内部粘一层轻质泡沫填料，作为燃料吸除器，使贮箱中残留的无用燃料减到最少。贮箱蒙皮用2219-T87铝合金制成，后段厚0.193英寸，前段厚0.17英寸，分四段逐渐变薄。

推力结构

推力结构是发动机及其附件、底部热防护板、发动机整流罩和尾翼、推进剂管路、反推火箭以及环境控制管路的支撑结构，把五台发动机的集中载荷分散成均匀载荷。推力结构的外蒙皮由7075-T6铝合金制成。

位于S-IC级底部发动机摆动平面前部的热防护板，在飞行时对发动机的关键组件和底部结构进行热防护。热防护板是一种蜂窝结构壁板，由15-7PH不锈钢箔制成的蜂窝芯板和厚0.254毫米的面板钎焊而成。每台外围F-1发动机外部都用锥形整流罩保护着，以防止气动加载。整流罩内部有反推火箭和发动机作动器的支架。

四、

星5号火箭二级（S-II级）

土星5号第二级（S-II级）由北美航空公司（北美航空公司作为洛克维尔国际的一部分于1996年被波音公司收购）制造。S-II级使用液氢和液氧作为燃料，共有5个J-2火箭发动机。S-II级发动机的排列也呈十字形，外部的发动机可以提供控制能力。

S-II级有24.8米高，直径与S-IC级相同，都是10米。S-II的净重大约36吨，加满燃料后重达490吨。S-II级两个低温储箱（液氢储箱和液氧储箱）之间只用了一层板子相隔，这个隔板中间采用了苯酚蜂窝夹层结构，两侧用铝箔覆盖，需要承受两个燃料箱之间70℃的温度差。

S-II级可以在大气层外为土星5号提供大约36吨的推力。这级火箭的箭体主要用7075系的铝合金制成。

S-II级结构由壳体(包括前裙、后裙和级间段)、推进剂箱(包括液氢箱和液氧箱)和推力结构组成。壳体结构传递第一、第二级的助推载荷(轴向载荷、剪切和弯矩)以及相邻级、推进剂箱和推力结构之间的壳体弯曲和纵向力。

推进剂箱内装液氢和液氧推进剂，也是前裙和后裙之间的结构支撑。推力结构把五台J-2发动机的推力传给壳体结构，承受发动机推力产生的压缩载荷和承受发动机不工作时发动机重量产生的拉伸载荷以及S-II级助推时发动机重量产生的悬臂载荷。

壳体结构

壳体结构部件的结构形式相同，其中后裙和级间段因受力较大，故为较重型结构（前裙蒙皮厚度为0.04英寸，后裙和级间段为0.071英寸）。每段均为半硬壳式简壳，由7075号铝合金制成，外部用帽形截面桁条加强，内部用隔框增加稳定性。

推力结构

推力结构也是半硬壳式结构，但其形状为截锥形，锥的下底直径为18英尺，上底直径33英尺。推力结构同样用隔框和帽形截面的桁条加强。四对推力纵梁(在每台外围发动机处有两条)和一个中心发动机十字形支撑梁承受和分散J-2发动机的推力载荷。推力结构用7075铝合金制成，结构下部安装有玻璃纤维蜂窝夹层热防护板。推力结构还用来安装S-II级携带的大部分系统组件。

推进剂箱结构

液氢箱由圆筒形箱壁和上、下两个椭球形箱底组成，箱壁由六个短筒组成，各段用纵向和环向加强件加强。箱壁和箱底均由2014铝合金材料制成，并用熔焊方法焊接在一起。

贮箱共底（液氢箱的下底也是液氧箱的上底）为一种粘接的蜂窝夹层结构，这种结构可有助于保持液氢和液氧的低温特性。夹层结构的面板用2014铝合金板制成，为椭球形壳；中间的蜂窝夹芯用玻璃纤维/酚醛材料制成，夹芯的厚度不等，顶端厚约5英寸，周边厚0.008英寸。

液氧箱由上、下两个半椭形底组成，箱底由瓜瓣形板拼成，内表面铣成网格形。贮箱内部安装的三块环形防晃板抑制液氧晃动和液面扰动；贮箱下底液氧出口处安装了十字形消漩板，以消除液氧箱出口处产生的漩涡和使贮箱中推进剂剩余量最少。

系统隧道管

半圆形的系统隧道管安装在S-II级外部，从后裙部通到前裙段，内装有电缆、增压管路和贮箱推进剂消散用的火工品。S-IC级与仪器舱连接的电缆也通过这条隧道管。

五、

土星5号火箭三级（S-IVB级）

土星5号第三级（S-IVB级）由道格拉斯飞行器公司(于1967年与麦克唐纳公司合并，1997年一同并入波音公司)制造。除了级间的调整结构和重启动的能力，这一级几乎和土星1B号第二级完全一致。S-IVB级高18米，直径6.6米，净重11吨，加满燃料后重114吨。它使用了一个J-2火箭发动机，在两个燃料柜间也使用了共享箱壁。

S-IVB级在任务过程中会使用两次，在S-II级关闭后点火工作2.5分钟，在月球转移轨道射入阶段点火大约6分钟。两个加满液体燃料的辅助推进设备装在S-IVB级尾部，用来在待机轨道和月球转移阶段控制火箭的高度。

S-IVB级的基本结构组成：前裙、推进剂箱、后裙、推力结构和后级间段。除推进剂箱外，其他部分全为蒙皮桁条铝合金结构。

前裙段

前裙为液氢箱和仪器舱之间的支撑结构，由仪器舱上的检修门（参见仪器舱照片）可以检查前裙中的设备。前裙内有五块环境调节板，用来支撑各种电子组件，并对它们进行热调节。前裙外面安装了前脱落插头连接板、天线、液氢箱排气口和遂道管整流罩等。

推进剂箱

推进剂箱是一个圆筒状容器，两端有半球形底。中间的共底为半球形蜂窝夹层结构，夹层结构的上、下两个半球形面板由2014-T6铝合金制成，玻璃纤维/酚醛材料制成的蜂窝夹芯粘接在两块面板中间，液氢箱的内表面铣成网格形，网格形的内壁粘有聚氨酯泡沫瓦，瓦上用涂了密封胶的玻璃纤维布覆盖。

贮箱的箱壁承受前裙对接面前部的所有载荷，并把发动机的推力传给有效载荷。液氢箱内部有一个34英尺长的连续电容传感器、9个冷氦气瓶、温度和液位传感器、预冷泵、防晃板、防晃致偏器，以及加注、增压与排气管等。液氧箱内部有防晃板、预冷泵、13.5英尺长的连续电容传感器、温度和液位传感器，以及加注、增压与排气管等。

推力结构

推力结构是一个倒置的截锥壳，连接液氧箱后底与发动机支座。它为发动机提供连接点，并把发动机的推力均匀地传给整个贮箱的周边。推力结构外部安装发动机的导管、电缆和对接板、氦气瓶、液压系统、氧/氢燃烧器，以及某些发动机和液氧箱的仪器。

后裙部

圆筒形的后裙是液氢箱与后级间段中间的承力结构。一个易断的张紧连接件在S-II级分离时断开，使后裙与级间段分离。

后级间段

后级间段是一个截锥形壳体，是S-IVB级与S-II级之间的承力结构，也是S-II级和S-IVB级之间所需要的电气和机械连接的会合处。S-II级的反推火箭安装在级间段上，分离时级间段仍与S-II级连接。

六、

土星5号仪器舱

仪器舱由IBM制造，是装在土星5号S-IVB级顶部的一个圆筒形结构。它的内壁分布着土星5号火箭的弹道计算机、姿态稳定系统等关键部件，是整枚火箭的大脑。

仪器舱的基本结构是一个由铝合金蜂窝夹层材料制成的短圆筒，这是由三块长度相等的蜂窝夹层板拼成的，前后端框由挤压成的特制铝型材制成，型材粘接到蜂窝夹层上。之所以用此种结构，是因为它具有较高的强度重量比、良好的隔音和热传导特性。仪器舱的三块弧形板分别是检修壁板(Fin-A)、飞行控制计算机壁板(Fin-B)和惯性导航平台壁板(Fin-C)。

在上图中，左下方有一个检修门，这附近就是Fin-A。检修门旁边有个黑色的管子，这管子和上面的整个环形的管路是连在一起的，是用来控制土星5号大脑温度的环境控制管路。黑色管子下面藏着一个2.7升的小气瓶，内有高纯氨气。黑色管子右侧的圆柱形罐子是储水箱。水箱左侧的红色盒子是D-30电池系统。

水箱右侧是弹载计算机和弹载数据记录仪。图片正下方（记录仪右侧）的盒子里是控制指令分配器和遥测遥控指令译码器。这个盒子右边的那些盒子是遥测天线对应的电子器件盒，包括VHF遥测天线、c波段天线、PCMCCS天线等。

图片右侧的那个大球就是存放氨气的地方，供气压力为703吨/平方米。大球旁边是ST-124-M3惯性导航陀螺仪。

图片右上方的大方盒子为土星5号火箭的ST-124-M3惯性导航陀螺稳定平台的控制电路。平台旁边是加速度计信号调节器和专门供给导航系统用的56伏电源。另外的电源系统还有28伏直流电源，供小负载的电气系统使用，另有5伏直流电源供传感器使用。

七、

星5号运载火箭应用情况

八、

土星5号之后美国重型运载火箭的发展