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火箭外形是如何确定的?

发布时间:2016-07-26 13:50   浏览 1201 次

每当说起火箭,人们脑海中通常出现的都是“脑袋”尖尖、“身体”细长的样子。你知道在最初设计火箭时,设计师们是如何确定火箭外形的吗?

火箭对外形的要求很高

中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)北京宇航系统工程研究所研究员杜涛介绍:“火箭在大气层内飞行时,空气会与火箭箭体产生气动力和气动加热作用。这种作用直接影响到火箭的飞行弹道、结构的载荷特性、飞行稳定性以及火箭的总体方案,特别是火箭的外形。”

“对火箭感兴趣的人或许还记得,长二F运载火箭发射‘神舟六号’飞船时,人们通过火箭外表安装的摄像头,可以看到助推器的端头在飞行过程中逐渐变黑。这是因为火箭外形与空气高速摩擦产生了大量的气动加热。另外,即使火箭静止竖立在塔架的时候,地面风吹在火箭外形上,也会产生风载,使火箭发生振动和变形,严重的话,会造成结构损坏。”杜涛介绍:“还有,在长二F运载火箭的研制中,考虑到航天员的安全问题,我国还研究出逃逸技术,让火箭在紧急情况能够打开栅格翼,让航天员安全平稳地回到地面……这些都是在设计火箭外形时需要考虑并正确预测的问题。”

我国运载火箭外形从“简”到“繁”

我国运载火箭早期外形是简单的椎-柱段设计,后来由于卫星尺寸越来越大,运载能力要求越来越高,发展出了外形和气动特性都比较复杂的大钝锥头设计和捆绑助推外形。目前,我国运载火箭最多可以捆绑4个助推器。

刚刚首飞成功的长征七号和即将首飞的长征五号作为我国新一代运载火箭,集成了我国当前运载火箭研制的最新技术。特别是长征五号运载火箭全长接近60米,芯级直径达到5米,采用了能够降低芯级气动阻力和局部的脉动压力的冯·卡门头锥外形,助推器首次采取了斜头锥设计。

现在我国火箭外形是这样确定的?

首先,设计人员根据火箭的总体指标和要求,在与飞行弹道、发动机、飞行姿态的稳定控制和结构安装等专业人员协调后,设计出初步的外形方案。

然后,通过大量专业人员的分析、计算,并进行风洞试验后,将预测结果提供给相关的专业人员分析使用。相关专业人员如果发现问题,会对火箭外形进行修改。

最后,经过一轮或多轮的迭代,确定满足总体性能要求的合理气动外形方案。

未来,火箭外形会怎样呢?

“未来,火箭的外形将变得更长,会达到100米左右;芯级直径更粗,估计能有8到10米;助推器也会更多,我们将通过模块化、组合化的设计理念,实现火箭‘一次优化设计,产生多个构型’的发展趋势。”杜涛介绍说,“另外,考虑到未来箭体落区的划定范围会越来越小,我们将优化火箭气动外形设计,减小下落的散布。同时,将进一步发展类似‘猎鹰9’运载火箭在海面平台垂直降落的箭体的定向回收技术,让一级箭体下落过程能够完全可控,定点着陆。”

杜涛说:“可重复使用的火箭是我们的最终目标,我想,那时候的火箭将‘长出翅膀’,像飞机降落在机场一样,缓缓降落在地面。若是技术允许,甚至可能取代现在的垂直起飞方式,实现水平起飞。”

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