空间飞行器设计第讲
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8.2.3 尾段、箱间段、级间段
尾段—保护各级发动机的壳段。 火箭垂直发射前，用尾段支承，一子级尾段 承受全箭质量和地面风引起的横向载荷； 飞行时，上面级的尾段，要承受飞行载荷。 箱间段——连接两个推进剂贮箱的壳段，受力与 上面级尾段类似。 级间段——连接级与级的连接壳段，除受飞行载 荷外，还受分离时的特殊载荷。
早期液体火箭贮箱采用铝-镁合金，其焊接性
能好，但强度较低。现广泛采用Al-Cu-Mg和
Al-Zn-Mg高强度铝合金；而贮箱增压用的高压气 瓶 多用钛合金。
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近10多年以来，火箭结构上常用的轻型合金 未出现高性能的新材料，其发展仍为挖潜。而 Al-Li,Mg-Li, β钛合金等比强度高、比刚度高、 韧性好，很适合承受轴向压缩载荷的薄壁结构， 并实现质量减轻，是今后的应用研究方向之一。 美国X-33就应用了含Li2%-3%的Al-Li合金。
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8.4 分离系统
种类：级间分离；助推器与火箭分离；有效载荷 整流荷罩与火箭分离；有效载荷（卫星、 弹头）与火箭（导弹）分离；冷发射时尾 罩与导弹分离等。
要求：分离前保证两分离体可靠地连接，分离时 保证分离过程中或分离之后，不对继续飞 行体的正常飞行有影响。
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图6-4 多级火箭分离示意图
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箭体结构是运载火箭的重要组成部分，其主 要功用是装置各分系统(如有效载荷、控制系统、 动力系统和测量系统等)，并按要求将其连接成结 构紧凑、外形理想的整体。主要功用有：提供可 靠的工作环境；承受操作和飞行中的外力；维持 良好的气动外形；保持火箭完整性。
8.1 箭体结构的组成和功用
组成——有效载荷整流罩、推进剂贮箱、 输送系统元件、仪器舱、级间段、发动机架和 尾段等，有些大型火箭还有尾翼。
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Saturn5
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有效载荷整流罩 整流罩是有效载荷或末级火箭的包封部件， 在大气层飞行段对其起保护作用。一般为锥—柱、 锥—柱—锥硬壳式。 推进器贮箱 为贮存推进剂的容器，是火箭的承力结构， 占火箭体积的大部分。
按形状分：圆柱、锥—柱、截锥、球、环、扁豆形等。 按受力形式分：受力式、非受力（悬挂）式 按贮箱相互关系分：独立式、共底式。 按结构特点分：硬壳式、半硬壳式和网格式。
8.4.1 分离系统组成
分离系统按其功能主要由三部分组成：
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热分离过程中，下面级前部结构需承受上面级 喷流，喷流在下面级贮箱外部滞止时形成高温 高压，应采用玻璃钢防热底结构予以防护。
冷分离：下面级火箭先分离，上面级火箭的主 发动机再点火。 特点：级间结构工作条件好，但分离速度低、 失控时间长、“分离碰撞”问题较热分离情况 严重ຫໍສະໝຸດ Baidu必须使上面火箭在点火前设法使液体推 进剂沉底进入发动机。
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8.2.4 串连火箭级间结构方案
串连火箭有冷、热两种分离方式。
热分离：上面火箭点火以后，下面火箭再分离。 级间连接解锁后，靠上面级发动机的喷流吹开 下面级火箭。 特点：级间受高温、高速气流影响，要排焰。 采用杆式构架可以使燃气流顺利从杆间排 出，并能参与火箭总体受力； 采用在级间结构底部开排焰孔方式，使喷 流从中排出。
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贮箱的几何形状 分圆筒形和非圆筒形两类。
圆筒形：圆柱形筒壁，椭球、球或其它旋转体为前 后箱底。 可采用“共底”贮箱：
优点：增大充液空间，省一个底和箱间段，减少箭 体长度和质量。 关键问题：防止推进剂渗漏或共底失稳破坏导致的 爆炸；对低温推进剂，储箱要作成夹层结构或采取 绝热措施。
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贮箱的几何形状
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8.2 箭体的结构方案与结构型式
8.2.1 推进剂贮箱结构
按受力形式分为:
承力式储箱——贮箱壁就是火箭的壳体，受 内压和各种飞行载荷。 非承力式储箱——贮箱壁是贮箱外壳，主要 受内压载荷。
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早期火箭如V-2，采用非承力式贮箱。 从20世纪50年代始，液体火箭广泛采用承力 （载）式贮箱。这是因为火箭壳体上的主要载 荷——轴压，可由贮箱内的增压压力全部或绝大 部分地抵消。承力式贮箱兼有贮箱壁和火箭外壳 功能，结构质量减轻、火箭空间利用率提高。 现代火箭设计中可综合使用，如火箭的一子 级采用多管发动机，可将一种推进剂贮箱设计为 承力式，传递推力并作为另一种推进剂贮箱吊挂 的支柱。
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复合材料是火箭和其他飞行器材料的发展方向。 在火箭结构上，复合材料应用比重日益增长，在 有效载荷支撑段、仪器舱、级间段和整流罩等处 不同程度使用。 美国“三叉戟”导弹应用了65%的新型复合材 料。 仪器舱壳体—石墨环氧； 发动机喷管—碳-碳、碳-酚醛； 整流罩—玻纤-酚醛； 芯级发动机壳体—凯芙拉（Kevla）。
也可采用锥体贮箱。
锥底贮箱：因为锥形薄壳承受轴向力的能力比椭 球形薄壳高得多，可用于支持发动机，直接承受 推力和关机冲击载荷。 非圆筒形：
常用的有球形、环形（环柱形）贮箱。
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8.2.2 仪器舱的结构方案
功用：安装控制系统、飞行测量系统、安全 自毁系统等主要设备。
位置：对 多级火箭，一般在末级火箭上，位 于有效载荷与贮箱之间。对单级火箭，可以装在 火箭顶部、中部和下部，但要考虑发动机的影响。 受载：气动载荷，气动加热。 结构：可以利用独立舱段、箱间段、或者利用 整流罩的包容空间。
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8.2.5 箭体的结构型式
箭体是由薄板和加强筋组成的薄壁结构， 它能很好地承受火箭在各种使用条件下的外载荷。
硬壳式结构——厚蒙皮＋隔框 半硬壳式结构： 梁式——梁＋蒙皮＋隔框 桁条式——桁条＋蒙皮＋隔框 网格式——机械铣切的化学壁板 整体壁板 新结构——夹层结构
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8.3 箭体结构材料
现代火箭所用材料大都与飞机相同。 主要有：铝合金、合金钢、钛合金、新型复合材料 和非金属材料。
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贮箱的布局： 串连布局：两个贮箱沿箭轴方向纵向排列。中间 以共底或箱间段连接。 并联布局：贮箱沿箭轴方向纵向。(1)以某种推进 剂贮箱作为中央储箱，周围环绕若干个另一种推 进剂的小贮箱；(2)两种推进剂贮箱是直径相近的 圆筒，对称地捆绑（多用在大型火箭的一级和某 些多级火箭的末级）。 独立悬挂：贮箱悬挂在支持构件（构架或另一种 推进剂贮箱上）。
8.2.3 尾段、箱间段、级间段
尾段—保护各级发动机的壳段。 火箭垂直发射前，用尾段支承，一子级尾段 承受全箭质量和地面风引起的横向载荷； 飞行时，上面级的尾段，要承受飞行载荷。 箱间段——连接两个推进剂贮箱的壳段，受力与 上面级尾段类似。 级间段——连接级与级的连接壳段，除受飞行载 荷外，还受分离时的特殊载荷。
早期液体火箭贮箱采用铝-镁合金，其焊接性
能好，但强度较低。现广泛采用Al-Cu-Mg和
Al-Zn-Mg高强度铝合金；而贮箱增压用的高压气 瓶 多用钛合金。
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近10多年以来，火箭结构上常用的轻型合金 未出现高性能的新材料，其发展仍为挖潜。而 Al-Li,Mg-Li, β钛合金等比强度高、比刚度高、 韧性好，很适合承受轴向压缩载荷的薄壁结构， 并实现质量减轻，是今后的应用研究方向之一。 美国X-33就应用了含Li2%-3%的Al-Li合金。
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8.4 分离系统
种类：级间分离；助推器与火箭分离；有效载荷 整流荷罩与火箭分离；有效载荷（卫星、 弹头）与火箭（导弹）分离；冷发射时尾 罩与导弹分离等。
要求：分离前保证两分离体可靠地连接，分离时 保证分离过程中或分离之后，不对继续飞 行体的正常飞行有影响。
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图6-4 多级火箭分离示意图
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箭体结构是运载火箭的重要组成部分，其主 要功用是装置各分系统(如有效载荷、控制系统、 动力系统和测量系统等)，并按要求将其连接成结 构紧凑、外形理想的整体。主要功用有：提供可 靠的工作环境；承受操作和飞行中的外力；维持 良好的气动外形；保持火箭完整性。
8.1 箭体结构的组成和功用
组成——有效载荷整流罩、推进剂贮箱、 输送系统元件、仪器舱、级间段、发动机架和 尾段等，有些大型火箭还有尾翼。
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Saturn5
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有效载荷整流罩 整流罩是有效载荷或末级火箭的包封部件， 在大气层飞行段对其起保护作用。一般为锥—柱、 锥—柱—锥硬壳式。 推进器贮箱 为贮存推进剂的容器，是火箭的承力结构， 占火箭体积的大部分。
按形状分：圆柱、锥—柱、截锥、球、环、扁豆形等。 按受力形式分：受力式、非受力（悬挂）式 按贮箱相互关系分：独立式、共底式。 按结构特点分：硬壳式、半硬壳式和网格式。
8.4.1 分离系统组成
分离系统按其功能主要由三部分组成：
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热分离过程中，下面级前部结构需承受上面级 喷流，喷流在下面级贮箱外部滞止时形成高温 高压，应采用玻璃钢防热底结构予以防护。
冷分离：下面级火箭先分离，上面级火箭的主 发动机再点火。 特点：级间结构工作条件好，但分离速度低、 失控时间长、“分离碰撞”问题较热分离情况 严重ຫໍສະໝຸດ Baidu必须使上面火箭在点火前设法使液体推 进剂沉底进入发动机。
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8.2.4 串连火箭级间结构方案
串连火箭有冷、热两种分离方式。
热分离：上面火箭点火以后，下面火箭再分离。 级间连接解锁后，靠上面级发动机的喷流吹开 下面级火箭。 特点：级间受高温、高速气流影响，要排焰。 采用杆式构架可以使燃气流顺利从杆间排 出，并能参与火箭总体受力； 采用在级间结构底部开排焰孔方式，使喷 流从中排出。
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贮箱的几何形状 分圆筒形和非圆筒形两类。
圆筒形：圆柱形筒壁，椭球、球或其它旋转体为前 后箱底。 可采用“共底”贮箱：
优点：增大充液空间，省一个底和箱间段，减少箭 体长度和质量。 关键问题：防止推进剂渗漏或共底失稳破坏导致的 爆炸；对低温推进剂，储箱要作成夹层结构或采取 绝热措施。
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贮箱的几何形状
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8.2 箭体的结构方案与结构型式
8.2.1 推进剂贮箱结构
按受力形式分为:
承力式储箱——贮箱壁就是火箭的壳体，受 内压和各种飞行载荷。 非承力式储箱——贮箱壁是贮箱外壳，主要 受内压载荷。
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早期火箭如V-2，采用非承力式贮箱。 从20世纪50年代始，液体火箭广泛采用承力 （载）式贮箱。这是因为火箭壳体上的主要载 荷——轴压，可由贮箱内的增压压力全部或绝大 部分地抵消。承力式贮箱兼有贮箱壁和火箭外壳 功能，结构质量减轻、火箭空间利用率提高。 现代火箭设计中可综合使用，如火箭的一子 级采用多管发动机，可将一种推进剂贮箱设计为 承力式，传递推力并作为另一种推进剂贮箱吊挂 的支柱。
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复合材料是火箭和其他飞行器材料的发展方向。 在火箭结构上，复合材料应用比重日益增长，在 有效载荷支撑段、仪器舱、级间段和整流罩等处 不同程度使用。 美国“三叉戟”导弹应用了65%的新型复合材 料。 仪器舱壳体—石墨环氧； 发动机喷管—碳-碳、碳-酚醛； 整流罩—玻纤-酚醛； 芯级发动机壳体—凯芙拉（Kevla）。
也可采用锥体贮箱。
锥底贮箱：因为锥形薄壳承受轴向力的能力比椭 球形薄壳高得多，可用于支持发动机，直接承受 推力和关机冲击载荷。 非圆筒形：
常用的有球形、环形（环柱形）贮箱。
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8.2.2 仪器舱的结构方案
功用：安装控制系统、飞行测量系统、安全 自毁系统等主要设备。
位置：对 多级火箭，一般在末级火箭上，位 于有效载荷与贮箱之间。对单级火箭，可以装在 火箭顶部、中部和下部，但要考虑发动机的影响。 受载：气动载荷，气动加热。 结构：可以利用独立舱段、箱间段、或者利用 整流罩的包容空间。
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8.2.5 箭体的结构型式
箭体是由薄板和加强筋组成的薄壁结构， 它能很好地承受火箭在各种使用条件下的外载荷。
硬壳式结构——厚蒙皮＋隔框 半硬壳式结构： 梁式——梁＋蒙皮＋隔框 桁条式——桁条＋蒙皮＋隔框 网格式——机械铣切的化学壁板 整体壁板 新结构——夹层结构
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8.3 箭体结构材料
现代火箭所用材料大都与飞机相同。 主要有：铝合金、合金钢、钛合金、新型复合材料 和非金属材料。
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贮箱的布局： 串连布局：两个贮箱沿箭轴方向纵向排列。中间 以共底或箱间段连接。 并联布局：贮箱沿箭轴方向纵向。(1)以某种推进 剂贮箱作为中央储箱，周围环绕若干个另一种推 进剂的小贮箱；(2)两种推进剂贮箱是直径相近的 圆筒，对称地捆绑（多用在大型火箭的一级和某 些多级火箭的末级）。 独立悬挂：贮箱悬挂在支持构件（构架或另一种 推进剂贮箱上）。