火箭的設計工作也和其他事物的發展規律一樣，是一個不斷發展的連續過程。但是，在發展過程中又有它固有的不同的發展階段。這種設計是具有高度的嚴格性和嚴密性。因為，火箭是用於星際航行上，因而必須保證它的可靠性，並能十分精確地執行它的任務。這種要求實質上就是要求整個火箭上的千萬個零件和部件都必須非常可靠，而且是精確地相互配合。
要達到這樣高的要求，如果不按照嚴格的步驟進行設計、製造和試驗，各個部門不能嚴密地配合協調整個工作，則必然使整個龐大的設計工作混亂不堪，而最後不但不能得到預期的效果，而反會導致整個工作的失敗，造成時問、人力、物力和財力上的巨大損失。
基本介紹
- 中文名：運載火箭設計
- 外文名：Launch vehicle design
設計過程,設計方案的初步選擇,方案的確定,初步設計,工藝設計,樣機的生產和地面試車,飛行試驗,設計特點與原則,技術先進性,技術綜合性,高可靠性,低成本,
設計過程
設計方案的初步選擇
火箭的性能都是由它的用途和任務而定。設計時所採用的發動機、結構、控制系統以及結構的材料可以不同，但所設計出的火箭都可滿足所提出的任務的需要。然而，所設計出的火箭的尺寸、加工工藝、技術條件、可靠性、準確性及成本等卻可能產生很大的差別，甚至會影響到設計的具體實現。因此，設計方案的選擇必須是慎重的，一般都採用多方案比較的辦法，從最初提出的十幾種或更多的方案中進行比較和選擇。這種選擇既要照顧到設計出的火箭的高度可靠性和實用性，而且也要考慮到現實性和可能性，即是要考慮到目前國家的科學水平和生產水平以及科學研究新成果的運用。方案的選擇是通過專門的總體結構設計部門．經過全面的比較之後方能從這些方案中確定出幾個比較好的方案，以作為進一步定案的基礎。
方案的確定
上面已經提出的幾個比較好的方案，這只是由總體設計部門根據任務要求的初步選擇。而要最後定案，就必須協同發動機和控制系統的設計部門再進一步商討比較，最後共同提出一個最佳方案。這個方案也可能是幾個方案中的一個，也可能是吸取這幾個方案優點重新提出一個更好、更切合實際的方案。
這一步工作是十分重要的。因為，我們所提出的方案都必須根據已有的發動機和控制系統，加以適當的修改後，來組成方案的基礎，而不能以全新的、還沒有研究、或正在研究而沒成功的發動機和控制系統來作為基礎。要研究出一新型的發動機和控制系統需要很長的時問，同時由於還沒研究成功，也無法給火箭設計提供準確而可靠的數據。因此，在確定方案時必須吸取發動機及控制系統設計部門的意見，看看他們是否能夠按照方案的要求，按時提供可靠的發動機和控制系統，以及從他們本身設計的角度出發對於火箭結構設計的要求是什麼。當大家取得一致意見之後，火箭設計的方案即可就此而定。這時總體設計部門也就可以向結構設計、發動機及控制系統設計部門提出初步設計的要求。各部門接受此任務之後就可以開始初步設計、研製及試驗工作。
初步設計
初步設計是方案的進一步具體化。它把方案中所提出的任務要求和必要的參數進行具體的計算，對結構的布置進行研究，並審核重量的平衡和修正等。因此，初步設計是一項細緻的工作，它主要分成三個部分進行：結構設計、發動機設計和控制系統設計。結構設計的工作內容是進行具體的總體設計和部件設計，詳細地選擇材料和結構型式，並最後對整個火箭設計進行總平衡，提出各部分的詳細參數，向發動機和控制系統設計部門提出具體的設計參數和設計任務書。
工藝設計
這一階段的工作是在初步結構設計工作的基礎上，進行更進一步計算和設計——工藝設計。前面已經談過，降低火箭的結構重量是火箭設計中具有極其重大意義的工作。因此，工藝設計與初步設計之不同點是要精確地設計出整個火箭的結構，每個零件及部件，仔細研究零件或部件的形狀、尺寸、強度和重量。總之，目的在於設計出結構強度高，工作可靠而又要挖去任何多餘的重量。雖然設計是十分精確的，但是，由於人們設計技術水平有限，對材料性能掌握不夠，對一些新的部件或零件設計的經驗不足等原因，而使單純由理論上設計出來的東西不一定能符合實際情況，即這些新的零件或部件的強度、重量和可靠性並不一定都恰如其分。因此，必須對這些沒有把握的零件或部件加工生產，進行模擬尺寸或全尺寸的各種試驗，以鑑定其性能、強度，並對設計不合理的地方加以改進，最後達到全部零件工作可靠而結構重量又達到最輕的要求。只有當這一步完全通過時才能算火箭結構的工藝設計基本上完成。
與此同時，其他兩個部門也根據總體設計所提的有關參數和設計任務書，對發動機及控制系統分別進行相應的修改和試驗，最後提出一套完整的符合於所設計火箭要求的發動機系統和控制系統。
在這過程中，由於對原來的發動機及控制系統有了改進，而使所提供出的部件的性能有所變化，一般說變化不會很大。所以總體設計最後還需根據各部門的最後設計結果作一次方案性的調整，把有關各方面的修正數據吸取到最後的技術設計中，這樣才算最後設計出整個運載火箭，拿出整套可供樣機製造的圖紙。
樣機的生產和地面試車
當發動機和控制系統的研製工作接近完成時，就可以進行樣機的生產。由於所設計出來的火箭是經過了各個部件的各種試驗，性能比較可靠。但是，為了保證生產出的樣機真正達到設計要求，還必須生產一定數量的樣機來進行各方面的試驗。首先，樣機的地面試驗，這同樣是一件十分複雜的工作。它分為如下幾個步驟來進行。
1、破壞強度試驗
破壞強度試驗亦稱為靜力試驗。試驗的目的是考核火箭的結構所應當承受的靜力負荷，看看它的強度是否能全面地滿足設計的要求。很顯然，結構的各個部件或零件的強度已經經過部件實驗可以滿足要求；但是，裝配成一個整體之後，由於受到其他部件的影響，因而可能所承受的負荷有變化，以致使部件破壞。在強度試驗中這種問題會大量出現，但因有了以前幾個階段的嚴密工作，所產生的各項問題不會太嚴重，只需對個別部件加以修改後即可達到要求。
2、水平測試
破壞強度試驗完成之後，就可以進行包括發動機及控制系統在內的總裝配。裝配完成之後就在裝配廠內進行水平測試(因一般火箭的總裝工作都是水平裝配)。由於原來的結構、發動機及控制系統本身就十分複雜，現在要裝到一起並協調工作，因此也就更加複雜了。水平測試的目的是要把裝配好的火箭，以模擬訊號輸入，測試其各個部件的工作情況是否正常、協調。裝配過程中各部件相互之間以及一些偶然因素的影響都會導致系統的失靈。因此，必須進行精細的測試、修改和調整，直到一切故障完全消除，才能結束水平測試工作，而進人垂直測試工作。
3、垂直測試和全機試車
水平測試完成後，說明整個系統總裝配正確無誤，並且各部分運轉正常協調。這時即可將火箭運往全機試車台，將它垂直固定在試車架上準備作點火試驗。但是，在點火之前還必須作垂直測試，即進行和水平測試相同的測試和一些其他特殊的測試。只有垂直測試通過後才能作全機地麵點火試車。垂直測試的目的在於水平測試後火箭又經過運輸、豎立和固定等過程，不免受到一些振動，並且在由水平變為垂直位置時，整個系統受力狀況有了變化，因此可能產生局部失靈，通過垂直測試即可及時發現這些問題，以便修補和調整。
飛行試驗
通過以前一系列試驗而使整個火箭的可靠程度得到了認真的考驗。但是，最終的目的還是要真正進行發射。火箭在飛行時不但有振動、擺動等問題影響火箭各部分運轉過程，而且還有火箭的穩定、彈道控制、氣象條件、各級之間的熄火脫離、點火的配合等十分複雜的問題，也影響著整個系統。這個問題遠非地面試車及模擬試驗所能夠全部解決的。
對於多級運載火箭的飛行試驗，也是分成若干步進行的。首先是第一級火箭加上一個假的第二級火箭(重量、形狀、尺寸同第二級，但不帶第二級的發動機)，進行飛行試驗，看兩級之問配合情況是否正常。然後才進行第一、二級聯合飛行試驗，余此類推。只有這樣逐步進行試驗都成功之後，才能作整個火箭的飛行試驗，最後提供出一可靠的、性能符合要求的運載火箭，予以發射人造衛星和星際航行使用。蘇聯屢次向太平洋中部發射火箭就是這種飛行試驗。每一次的試驗都標誌著蘇聯在星際航行用的運載火箭方面又有了新的發展，在做新運載火箭的最後調整工作。
從運載火箭的整個設計過程充分地說明了這套技術是十分複雜而嚴密的，要求也是很嚴格的。因此，從事這項工作的人必須是用嚴肅認真的態度來對待，任何輕浮草率都會給整個工作帶來不可估量的損失。
設計特點與原則
運載火箭是現代科學技術的結晶，運載火箭的設汁也具有它的鮮明特點與原則，即技術先進性、綜合性、高可靠性及低成本。
技術先進性
火箭技術屬航天技術，它以基礎科學和技術科學為基礎，集中套用多種科學技術的最新成就。
一枚先進的運載火箭，取決於多種新技術的採用和系統的合理綜合。火箭設計應綜合體現現代科學技術發展的進程，儘可能地把先進而又成熟的技術套用於火箭設計之中；同時，隨著火箭性能的不斷提高，應持續不斷地向新技術領域探索，提出新的預研課題，作為日後新技術套用的儲備。
技術綜合性
運載火箭及其發射支持系統構成的火箭運載系統極其龐大而複雜，是一個能準確地完成特定任務的高技術系統工程。火箭與發射支持系統之間需相互配合、協調，從而形成整個系統的總體性能；而運載火箭本身又由多個分系統及成千上萬個部件、組件、零件所組成，各分系統涉及各專業學科，如飛行力學、穩定控制、飛行環境、結構強度、結構彈性振動、推進劑晃動、氣動、推進等相互交連，形成火箭設計的特有“界面”問題，因此，必須按系統工程的觀點和方法進行火箭總體綜合設計。
高可靠性
運載火箭的設計確定之後，火箭的固有可靠性也就隨之確定。如果固有可靠性低，日後火箭的潛在故障必將通過各種形式表現出來，小則修復、更換，大則導致飛行失敗。運載火箭在總體方案設計初期必須把可靠性指標作為一項沒計指標進行分配，使各分系統明確目標、便於管理。提高運載火箭固有可靠性有如下措施：
1)提高可靠性設計水平；
2)簡化系統；
3)採用經多次飛行考核的系統、部件；
4)採用有預研基礎的新技術；
5)冗餘技術；
6)改善地面及飛行環境。
各分系統要按照可靠性設計規範進行抗熱、抗振、電磁兼容、抗干擾、極限應力、降額等設計，並開展可靠性試驗，進行環境應力篩選、可靠性增長及可靠性驗證試驗，最後對可靠。陀進行評定驗收。
低成本
運載火箭投入商業發射服務市場，低成本也是增強市場競爭能力．拓寬市場渠道的準則之一二儘可能採用通用、標準的零部件及系統；增大運載火箭與其發射支持系統之間的適應性；減少新技術的套用範圍，充分注意到這些新技術開發的費用開支，平衡技術先進與低成本之問的矛盾關係等。
上述四個方面將貫穿到運載火箭整個設計過程，從單機到分系統，從分系統到總體，從地面到飛行，按研製程式貫徹始終。
