03.07 運載火箭整流罩共有哪些層,有什麼作用?

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火箭在大氣層中穿行的時候,就像鳥兒在天空飛翔,不僅需要羽翼的保護,還要有像鳥兒羽翼那樣流暢的線型,以保持氣動外形,穿雲破霧。但航天器的外形卻不具備這樣的特點,於是,人類給航天器穿上了一件巨大的人工“羽衣”,這就是火箭的整流罩。 整流罩由高強度、輕質、耐高溫,且無線電透波性強的材料製成,位於運載火箭的頂部,在保持火箭氣動外形的同時,使航天器免受氣動力和氣動熱影響以致損傷。運載火箭飛出大氣層後,整流罩將沿箭體縱向分成兩半並被拋開,完成它的使命。



火箭整流罩按照結構形式可以分為半硬殼式鋁合金鉚接結構和複合材料夾層結構和鋁合金蜂窩夾芯結構共用的複合結構。一般來說火箭整流罩的後有三層結構,結構框架、蒙皮、隔熱塗層三層結構組成。

結構框架也分為多種材質的,最常見的是鋁合金蜂窩夾心結構,其次還有複合材料的以及最好的碳纖維結構的三種。像美國的德爾塔火箭整流罩採用了碳纖維蒙皮和鋁蜂窩夾芯結構,歐洲阿麗亞娜4火箭採用了碳纖維、玻璃鋼纖維混合增強的環氧複合材料蒙皮和鋁蜂窩夾芯膠接夾層結構。到阿麗亞娜5火箭則改為碳纖維增強塑料蒙皮和鋁蜂窩芯的夾層結構。

蒙皮也多種多樣,首先蒙皮的作用不光是保護航天器不受外界氣流的影響,同時還要保護整流罩內部的溫度和噪音保持在較低的條件下。最常見的液體火箭一般是結構框架的鋁合金蒙皮上貼一層軟木貼片,再在貼片上刷塗防護漆和二氧化硅隔熱漆。其他的比如玻璃鋼複合材料時會直接在玻璃鋼外表面刷塗防護漆,但是一般情況下玻璃鋼蒙皮是不會使用的,除非在對整流罩要求具備全向透波能力時才會採用玻璃鋼蒙皮,主要是因為玻璃鋼的重量要比普通的鋁合金重一些。最好的是全碳纖維的整流罩,因為碳纖維的網狀纏繞方式可以不用結構框架就可以保證整流罩的結構外形保持完整性,同時避免了金屬結構框容易變形的問題,最重要的是碳纖維材質的整流罩的整體質量要比鋁合金等複合材料的整流罩輕30%左右。


其次是整流罩還要具備良好的隔音性能,因為整流罩內部的航天器如果在噪音很大的環境下容易出現問題,所以整流罩也要具備優秀的隔音性能,比如美國的宇宙神火箭整流罩內部的噪音達到了140db,雖然這個噪音我們人體根本撐不住,但是對於航天器來說已經達到設計標準了。

火箭整流罩的外形設計也有很高的要求,像最早的長征系列火箭,發射的航天器不同其整流罩外形也不同,這種定製化的方式無形中增加了整流罩的成本,所以後期的火箭中都是採用統一的整流罩,這樣既可以降低成本也可以縮短火箭發射週期。所以整流罩的外形設計也很重要,不光承擔著保護的作用,同時也減少了火箭的氣動阻力,並且能夠在一定程度上提供一定程度的穩定性。

再說一點,關於大多數火箭整流罩頂端都遠圓弧形而不是尖銳的造型,這個是關乎於空氣動力學的問題,簡單來說就是整流罩前緣半徑越小,更容易造成附面層分離,減少空氣阻力。其次火箭在加速到超音速後,圓頭產生的激波可以將整個箭體藏在激波內,極大的減少火箭飛行過程中的空氣阻力,火箭加速更快,飛的更高更遠也更節省燃料。


其次像目前的大型火箭,箭體直徑都在5米以上的火箭中,其整流罩的尺寸也更大,像美國的戰神1X其整流罩長度達到了34米(實際內部只有26米,有一部分被飛馬座擺渡車佔了),歐洲的阿麗亞娜5的整流罩長度也達到了17米,我們的長征5B也達到了20米級別,可以說大型火箭的整流罩設計和製造都更難了(不算獵鷹重型火箭那種10米出頭的整流罩了,畢竟其主要是作為試驗品研發的,正式型號肯定也會達到20米級別)。


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