火箭分类与组成-上九天揽月：载人宇宙飞船

2．火箭的分类与组成

火箭通常可分为固体和液体火箭，有控与无控火箭，单级与多级火箭，近程、中程与远程火箭等。

火箭的种类虽然很多，但其组成部分及工作原理是基本相同的。除有效载荷外，有控火箭必不可少的组成部分有动力装置、制导系统和箭体。

动力装置是发动机及其推进剂供应系统的统称，是火箭赖以高速飞行的动力源。其中，发动机按其工质，可分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机等。

当前广泛使用的是化学火箭发动机，它主要靠化学推进剂在燃烧室内进行化学反应释放出的能量，转化为推力。在发动机效率相同的情况下，单位时间内燃烧与喷射的物质越多，喷射速度越大，发动机推力就越大。在推力相同的情况下，结构重量越轻，单位时间内消耗推进剂越少，发动机性能就越高。

推力与推进剂每秒消耗量之比称为比推力，它是鉴定发动机性能的主要指标。比推力越大越好，其大小与发动机设计、制造水平有关，但更主要的是取决于选用什么推进剂。

火箭发动机推力的大小，是根据其特点和用途选定的，小到以毫克计，如电火箭发动机；大到上千吨，如美国航天飞机的固体助推发动机。

制导系统有了足够的推力，火箭便可克服地球引力而飞离地面。但对有控火箭而言，为保证在飞行过程中不致翻滚，并准确地导向目标，还需有制导系统。

该系统的功用是实时地控制火箭的飞行方向、高度、距离、速度以及飞行姿态等，即控制火箭的质心运动和绕质心的转动（俯仰、偏航与滚动），使火箭稳定而精确地飞抵目标。制导系统的日臻完善和精度的迅速提高，是现代火箭技术的一大特点。

箭体结构是运载火箭的基体，它用来维持火箭的外形；承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用在火箭上的各种载荷（力、力矩等）；安装连接火箭各系统的仪器、设备，把火箭上所有系统组建连接，组成一个能在大气层中高速飞行的飞行器整体。

总的来说，它的功用就是承力（承受作用于火箭上的各种力，包括推力、气动力等）、整流（使火箭成为一个便于穿越大气层的线流体）、容纳与安装（安装各种设备）和推进剂的贮存与供应。

箭体结构又包括有效载荷舱和整流罩、仪器舱、发动机舱、级间段、连接与分离系统等。

（1）有效载荷舱和整流罩

有效载荷舱，顾名思义，是容纳和安装有效载荷的地方。所谓有效载荷就是负责火箭运送的载体，比如卫星、载人飞船及其他航天器等。

有效载荷是通过有效载荷支架和火箭的最上面一级（或称末级）相连接。因此，有效载荷舱位于运载火箭的前端。有效载荷与火箭的连接与一般的连接形式不同，它是用称之为连接分离机构的装置相连接的。这就是说，当运载火箭垂直运输和在主动段飞行时，要求此机构把有效载荷和末级火箭牢牢地连接在一起，而当运载火箭飞行段结束，有效载荷入轨时，又要求它迅速而又可靠地使有效载荷与末级火箭分离。

我们看到绝大部分的航天器外形都是不规则的，特别不适合在大气层中高速飞行。为此，在有效载荷舱外面有一个整流罩，使其不受气动噪声的影响，同时还可保护有效载荷在发射前操作时不被碰撞。再次，尖锥形的整流罩和箭体，构成一个锥柱体外形，可减少火箭在大气层内飞行的气动阻力。

但是，运载火箭在飞出大气层后，整流罩的任务已经完成。为了减轻火箭的负担，一般当火箭飞行到离地面100千米左右的高空时，便会自行抛掉。为此，整流罩多是“瓜瓣”形构件拼接而成，整流罩各瓣间的连接，以及整流罩与火箭的连接也都由分离连接机构连接。在火箭通过大气层进入真空时，分离连接机构工作，整流罩与火箭分开并且整流罩各瓣间也分开，脱离火箭散落到地面。

（2）仪器舱

它是安装箭上仪器设备的地方。运载火箭大部分的仪器设备，诸如控制系统、遥测系统、外测安全系统等系统的仪器设备都安装在这里。(www.xing528.com)

仪器舱外壳多为薄壳结构，周围开有窗口，便于发射前对仪器设备的检查和测试。

（3）级间段

它是串联型多级火箭各级之间的过渡连接结构，因为每一级后部都有发动机系统（固体火箭为发动机喷管），所以两级之间必须有一段过渡结构才能使两级箭体连接起来。这一段结构我们称之为级间段。这一段除了作为过渡结构之外，实际上还是上面一级的发动机舱，用以保护发动机在大气层飞行时不受气动力和气动热的影响，另外还是动力系统、控制系统、遥测系统等部分仪器设备的安装场所。

级间段的结构形式有两类：一是薄壳结构形式，但需要在壳体侧面开出若干排焰口，使上面一级发动机点火后产生的火焰能及时排到箭体外面；二是桁架结构形式，它是由若干根圆杆构成的（有点像建筑工地上的脚手架似的），它的非封闭式结构对于发动机排焰非常有利。在级间分离时，为了尽量减少上面级的结构质量，大部分会随下面级分离掉。

（4）段尾

顾名思义，它是火箭尾部的一段结构。它的用途是：当火箭竖立在发射台上时承受整个火箭的重量。它也是第一级的发动机舱，当火箭在大气层内飞行时，用以保护发动机不受气动力和气动热的影响。若火箭带有尾翼，它就是安装尾翼的基体。它还安装部分控制、遥测等系统的仪器设备。

尾段大多是薄壳式结构形式，壳体侧面开有若干窗口，用于发射准备阶段对动力系统的检查和测试，以及动力系统部分组件的安装。

（5）推进剂贮箱

这里的推进剂贮箱是指液体火箭的贮箱，它是贮存液体推进剂的贮存容器。火箭中推进剂的质量约占整个火箭的90％左右，所以推进剂贮箱的荷量也就占了整个火箭的大部分。

推进剂贮箱除了存贮推进剂之外，它还是火箭的主要承力结构，用以承受发动机和空气动力作用于火箭上的力。其次，贮箱还具有定量的功能，就是控制加注到贮箱内的推进剂量。因为火箭所需要的推进剂量要求很准确，加注的推进剂量少了，火箭还没有达到预定的速度，推进剂就耗尽，发动机停止工作，当然就不能把航天器送入预定的轨道。反过来，推进剂加多了，火箭达到预定的速度，发动机关机，这多余的推动剂不但没有任何用途，反而在整个飞行中一直消耗火箭的能量，成为火箭的负担，降低火箭的运载能力。第三，贮箱还能根据发动机工作的需要将推进剂输送给发动机系统。对于使用低温推动剂的贮箱，还能起到隔热保温的作用，防止低温推进剂在常温环境下大量挥发。

推进剂贮箱按使用推进剂的类型分为，常温推进剂贮箱和低温推进剂贮箱。

常温贮箱一般为薄壳式结构，多采用高强度铝合金板材焊接而成（有的板材还采用数控铣切成网格状，以减轻其质量）。而低温贮箱除了具有与常温贮箱相同的金属薄壳结构外，往往在外面还要包覆一层隔热材料（当然还可能有其他的隔热方式）。

（6）分离系统

火箭在飞行过程中经常将一些已完成任务、而后再没有什么用途的部件抛掉。这些被抛掉的部件开始与火箭牢牢地连接，后又根据预定指令被抛掉的过程都是由火箭上的分离系统来完成的。

这些分离包括：级与级之间的分离、整流罩的分离、有效载荷的分离以及逃逸塔与火箭的分离等。它一般又由以下三部分组成：

①连接解锁装置：它主要保证在分离之前使它们牢固地连接在一起，在需要它们分离时又能可靠地分开，比如爆炸螺栓、聚能爆炸索等。

②分离冲量装置：两个部件分离时，不仅仅把连接装置解脱开就算了，而是还要把它们推开一定的距离。这样就需要一定的能量，分离冲量装置就是为分离部件提供分离能量的装置，比如常用的有压缩弹簧、气动式火药作动筒、反推小火箭等。

③引爆装置：不管是连接解锁装置还是分离冲量装置，大都采用火工装置，即采用电爆管之类的火工品来引爆，使之完成分离或点火工作。