火箭箭體結構是火箭的重要組成部分，其功用是把箭上各分系統，如有效載荷、控制系統、動力系統和測量系統等連成一個整體，為它們提供可靠工作的環境，並承受地面操作和飛行中的外力，維持良好的氣動外形，保持火箭的完整性。
基本介紹
- 中文名：火箭箭體結構
- 外文名：Rocket body structure
功用,組成,結構形式,硬殼式結構,半硬殼式結構,整體壁板結構,夾層結構,分離機構,結構材料,
功用
火箭箭體結構是火箭承受各種載荷的支撐構件的總成，它像人的軀體一樣，把火箭的有效載荷、飛行控制系統和推進系統等聯結成一個完整的整體，形成流線形的光滑外殼，保護著箭體內部的儀器設備。因此，人們俗稱它為火箭的殼體。箭體結構的主要功用可以歸納如下：
- 形成箭體表面光滑的流線形外殼，使火箭具有良好的空氣動力外形和飛行性能；
- 承受地面操作、運輸和飛行中的各種載荷，保護箭體內部的各種儀器設備，並為它們創造良好的工作環境；
- 製成推進劑貯箱，儲存飛行中使用的推進劑；
- 安裝、連線有效載荷、儀器設備、動力裝置和各種試驗裝置，使火箭構成一個整體，並適時地拋掉完成使命的子級和整流罩等結構。
組成
箭體結構一般由有效載荷整流罩、推進劑貯箱、輸送系統元件、儀器艙、級間段、發動機架和尾段等幾部分組成，見圖1。
圖1 典型火箭外形及總體布局
有效載荷整流罩是有效載荷或末級火箭的包封部件，其功用是在大氣層飛行段保護有效載荷。罩的外形隨有效載荷的大小、形狀和氣動特性而定，一般採用錐—柱或錐—柱—錐型硬殼式結構。
推進劑貯箱是貯存推進劑的容器，也是火箭的承力結構。貯箱占火箭體積的大部分。基本結構形式，按形狀可分為圓柱形、錐—柱組合形、截錐形、球形、環形和扁豆形等；按受力形式可分為受力式和非受力(懸掛)式；按貯箱的相互關係可分為獨立式(彼此可通過箱間段相連)和整體(共底)式；按結構特點可分為硬殼式、半硬殼式和格線式等。此外，為了總裝對接和布局需要，貯箱前、後兩端常帶有前、後短殼。
動力系統元件用來給貯箱加注和向發動機供應推進劑，提供增壓氣體等。主要包括推進劑輸送導管、貯箱推進劑出口消旋器、閥門、增壓壓力容器和供氣導管，有時還配一些排氣、吹除導管等。輸送導管可以穿通貯箱或沿殼段外壁通至發動機。
儀器艙用以安置儀器設備，主要承受軸向載荷和彎矩。通常採用截錐形或圓柱形半硬殼式結構。儀器設備通過艙壁的加勁件或專門支撐件安置在艙內。
級間段是多級火箭級與級之間的連線部件。主要承受軸向力和彎矩。結構形式與分離方式有關，冷分離方式常採用半硬殼式結構；熱分離方式可採用桿繫結構或開有排氣口的半硬殼式結構，以便通暢排出上面級發動機的燃氣流。通常，級間段還兼起上面級發動機保護罩的作用。
發動機架是傳遞發動機推力的承力構件，也是安裝發動機及其附屬檔案的支承體。基本結構形式是桿繫結構或半硬殼式結構。
尾段位於火箭的尾部，是發動機的保護罩，還可作為動力系統導管、閥門等和部分電氣系統設備的支承體。如果發射支點設在尾段，在地面發射時，將承受軸向力和側風引起的彎矩、剪力；在井下發射時，將承受軸向力和外壓力。若發射支點在其它部件上，尾段只承受大氣飛行中的氣動力。為了增加火箭的靜穩定度，尾段上有時帶有尾翼。上面級發動機保護罩，往往就是級間段，分離時隨下面級脫掉。尾段的基本結構形式大多呈多開口半硬殼式圓筒或截錐形。
結構形式
箭體結構要承受在各種使用條件下的外載荷，因此，一定要做得足夠結實。但是，為了提高火箭的性能，又要求箭體結構儘可能輕巧，因而通常採用質量小、結構強度高的材料，如鋁合金和複合材料。另一方面就要尋求合理的結構形式。
從結構形式上看，受力大的地方做得強些，受力小的地方可以做得弱一些。不怎么受力的地方，只要保持結構形狀就可以了。這樣的結構顯然就是一種空架子或空心結構，這就是飛機和火箭上常見的硬殼式、半硬殼式、整體壁板和夾層結構。
硬殼式結構
硬殼式結構由隔框和蒙皮組成(參見圖2)。多數情況下隔框只起艙段之間連線作用，作用在箭體上的外載荷由蒙皮承受。因此，蒙皮厚度較大，故得名硬殼式結構。這種結構簡單，製造方便，但不宜開艙口，尤其是不宜開大艙口，只適用於直徑比較小的箭體。
圖2 硬殼式結構
半硬殼式結構
半硬殼式結構由桁條、隔框和蒙皮組成，蒙皮用點焊或鉚接的方法與桁條、隔框連線在一起。蒙皮被桁條、隔框加強，因而提高了結構的承載能力。對於不開大艙口的箭體，這種結構對減小箭體質量有利。如果需要開大艙口，可在艙口的邊緣處布置桁梁，用貫穿整個艙段的桁梁作主要承力構件。這種結構通常還有桁條，但是，桁條不是主要承力構件。通常也稱這種結構為桁梁式結構或骨架蒙皮結構。
整體壁板結構
隨著火箭飛行速度越來越高，氣動載荷急劇增大，結構振動和氣動加熱問題越來越嚴重。為了解決這些問題，最初採用加粗桁條、加厚蒙皮的辦法，後來乾脆把桁條和蒙皮做成一個整體，這就是整體壁板結構(參見圖3)。可以採用擠壓或鍛造方法先製成整體壁板的毛胚，然後用化學腐蝕或機械切削的方法進行精細加工。這種結構的骨架粗細和壁板厚薄根據各處的實際載荷確定，能充分發揮結構的承載能力。另外，它的結構強度和剛度都比較大，質量較小。
圖3 整體壁板式箭體結構
夾層結構
夾層結構是在兩層壁板中間充填夾芯製成的一種新型結構。它是人們觀察蜂窩聯想出的一種結構形式。圖4示出了一種蜂窩夾層結構的翼面。另外還可以用泡沫塑膠或隔熱材料作充填物製成夾層結構。夾層結構質量小、剛度大，因此，特別適用於製造高速飛行器的翼面、受空氣動力和加熱嚴重的艙段，如運載火箭的整流罩殼體等。
分離機構
分離機構是把各級火箭連線成一個整體，並把有效載荷安裝在末級火箭上面的一種分離—連線裝置。
分離機構的功用和分類
在整個飛行過程中，火箭按照預定的飛行程式要把已完成工作使命的部件，如助推器、整流罩、下面級火箭等及時拋掉，以減小結構死重，輕裝前進。在太空飛行器進入預定的軌道時，太空飛行器要及時與末級火箭分開，以便獨立、不受干擾地執行自己的航天任務。那些在火箭和飛彈上兼有連線、解鎖和分離功能的機構統稱為分離一連線裝置，簡稱分離機構。
圖5 分離機構
按照連線和分離對象不同，分離機構分為星、箭分離機構，級間分離機構，拋罩機構以及誘餌和子彈頭的釋放機構等。按照連線結構和分離力的作用方向不同，分離機構可以劃分為縱向分離機構和橫向分離機構(參見圖5)。
結構材料
製造現代火箭所用的材料，大都與飛機相同，主要有鋁合金、合金鋼、鈦合金以及新型複合材料和非金屬材料。下面簡要介紹一下現代火箭和飛彈常用的材料(參見圖6)。
圖6 現代火箭和飛彈的常用結構材料
新型複合材料，如碳—碳、碳—酚醛、玻璃纖維—酚醛、石墨—酚醛、石墨—環氧和凱芙拉(Keviar)等，在新一代火箭的箭體結構上得到比較廣泛的套用。例如，美國三叉戟飛彈大約65%的主要結構及輔助結構都採用了複合材料，包括用石墨—環氧製造儀器艙殼體、用碳—碳和碳—酚醛製造發動機噴管、用玻璃纖維—酚醛製造整流罩帽、用凱芙拉製造一、二和三級發動機的殼體等，大大降低了飛彈的結構質量，提高了飛彈的性能。
運載火箭的燃氣舵在發動機的高溫燃氣流中工作，多採用石墨或鎢、鉬等難熔金屬，通常還要對其表面進行特殊的工藝處理，如表面噴塗抗氧化塗層或滲透其他金屬成分等。採用搖擺噴管和搖擺發動機的火箭和飛彈，為防止火焰輻射對尾艙設備的影響，箭體上還要裝防燒蝕的柔性材料，如矽橡膠等。
除上所述，為適應特殊的工作環境，火箭和飛彈還需要諸如耐高溫和耐低溫的潤滑材料，真空密封脂、高級液壓油、無機化合物防火膩子，防潮、防霉、防腐蝕油漆和塗料等非結構材料，以及用於發動機、箭體管路和閥門系統的非金屬密封材料。因此，火箭的材料保障工作是研製航天運輸系統的一項十分重要的工作。
