火箭換“鍋底”了,重量輕了,力氣更大了!_風聞
剑啸易水寒-深知身在情长在,前尘不共彩云飞。2019-09-24 18:09
來源:微信公眾號“中國運載火箭技術研究院“
一提到火箭貯箱,大家腦海裏都會呈現出它如膠囊殼一樣的外形,中間圓柱形,兩個底部是像鍋底一樣的橢球形。現在,它的底部變成了錐形,就像一個漏斗。這看似簡單的形狀改變,卻能讓火箭重量更輕、力氣更大。
△5米直徑錐底結構貯箱
△5米直徑橢球結構貯箱
左圖是我國首件5米直徑的錐底結構貯箱,由中國運載火箭技術研究院(簡稱“火箭院”)研製。別看只是變了些許形狀,它卻改變了我國延用多年的運載火箭貯箱設計方法,讓火箭貯箱底能夠承受發動機的推力,在產品研製、貯箱焊接上都有里程碑式的意義。
也許有人會問,為什麼要將橢球形改為錐形呢?
眾所周知,火箭的自重越輕,攜帶的燃料越多,其運載能力就會越大。火箭設計師們一直在火箭的整體佈局、製造工藝等方面想辦法,減輕火箭的自身重量。
火箭院總體設計部設計師董曼紅説,傳統的火箭貯箱只能承受內部燃料給它的壓力。火箭發動機的推力都靠火箭後過渡段承受,再將力均勻擴散到箭壁殼上。這樣的傳力路徑長,佔據箭體空間大。為了節省空間,我們提出了一種傳力路徑短、技術風險小、結構效率高的聯合傳力方案,將橢球形箱底改為錐底,這是國內首次採用箱底傳遞大推力的方案。
那這樣的設計能帶來什麼樣的好處呢?
董曼紅介紹,目前通過試驗計算,錐形結構的火箭貯箱能承受火箭發動機55%的推力,採用該貯箱的火箭部段可減重15%。火箭“自重”輕了,就能“送”更重的有效載荷上天。
有更多的網友關心了,如果有這麼多好處,為什麼以往不採用這樣的設計呢?
董曼紅説,雖然看起來只是一個形狀的改變,但在火箭貯箱設計中,這是一場顛覆性的變革。比如,錐底角度的大小就是其中一個關鍵因素,反覆經歷了多次修改。
錐角直接關係着貯箱能承受發動機推力的大小。錐角小,火箭的長度會加長,不利於減重;錐角大,不利於傳遞發動機的推力,而且錐底很容易因失穩而遭到難以預料的損壞。因此,設計師們採用對發動機機架、貯箱、後過渡段聯合設計的方式,反覆迭代不斷優化,最終才確定了錐角大小。
△5米直徑錐底結構貯箱正面
這樣的設計必然會對製造工藝提出更高的要求,又是怎麼解決的呢?
目前,與我國傳統火箭貯箱相比,5米直徑錐底結構貯箱後底焊接區厚度增加一倍,箱體結構的剛性也顯著增強,無論是裝配工藝,還是焊接角度,錐底結構的貯箱生產難度都遠超現有型號產品。
承接了這項任務後,天津航天長征火箭製造有限公司(以下簡稱“天津火箭公司”)組織力量開展了大量的焊接工藝攻關試驗,制定了全新的焊接工藝,確定了相應的成型方法,解決了該貯箱結構複雜、焊縫位置特殊、焊接厚度大等問題,實現了5米直徑錐底結構貯箱的高性能精確成形。
△正在安裝的錐底結構貯箱前底
△錐底結構貯箱筒段完成翻轉
目前,該貯箱已完成生產,並通過了相關的試驗驗證,將在我國新一代載人火箭上應用,為我國運載火箭結構輕質化設計提供了技術支撐。