航天知識丨火箭的結構與組成
2020-08-20 LCspace運載火箭的工作原理
在介紹火箭的結構之前，我們先來了解一下火箭的工作原理。
火箭是依靠火箭發動機產生的推力向前運動的。在運動過程中，發動機不斷地向外噴出高速燃氣流，利用燃氣流的反推力來提高火箭速度。隨著推進劑的消耗，火箭的質量不斷地減小，速度也不斷地提高，直到把載荷，也就是通常所說的衛星運送到一定高度並具備一定的速度，此時火箭的使命也就完成了。
星箭分離（圖片來源：百度圖片）
據此，我們可以先把火箭簡單地分為幾個大的部分：1.載荷——火箭運送的對象，火箭的使命就是把衛星送入預定軌道、2.箭體——用來保證火箭整體的強度，內部有存放火箭燃料的儲箱，通常來說每一級（級的概念將在後文中提到）火箭內有兩個儲箱，分別存放氧化劑與還原劑、3.發動機——用來提供火箭的動力，是火箭中最複雜、技術難度最高的部分。
火箭的基本結構（圖片來源：百度圖片）
運載火箭的組成
剛剛我們簡單地劃分了一下火箭的基本組成，接下來我們就具體、細緻地介紹一些火箭的分系統。
運載火箭一般由以下分系統組成：有效載荷、箭體結構、推進系統、控制系統、飛行測量及安全系統、附加系統等。
1. 有效載荷
有效載荷是運載火箭的運載對象。把有效載荷送入預定軌道是運載火箭的任務。有效載荷包括各種類型的衛星、載人飛船、太空實驗艙、空間站、深空探測器等，一般在發射時有效載荷將被放置於整流罩內。下圖展示的是我國神舟飛船即將被&34;。
神舟飛船及其整流罩（圖片來源：百度圖片）
2. 箭體結構
箭體結構是火箭各個受力和支撐結構件的總稱。包括有效載荷整流罩、推進劑儲箱、儀器艙、箱間段、級間段、發動機承力結構、儀器支架、導管、閥門和尾艙、尾翼等。
箭體結構的功能是安裝連接有效載荷、儀器設備、發動機等，可以認為是火箭的骨架。
有效載荷整流罩的作用是在大氣層內飛行時有效保護載荷、使其不受高速氣流的破壞。火箭飛出大氣層後，整流罩即可拋掉，以減輕重量。
拋整流罩（圖片來源：百度圖片）
推進劑儲箱佔據箭體結構的絕大部分，除了儲存燃料外也有承力的作用。
火箭儲箱（圖片來源：百度圖片）
儀器艙的作用是安裝儀器設備。發動機承力結構用於安裝發動機。尾艙一般位於火箭尾部，一般是火箭豎立在發射臺上的承載構件，又是發動機的保護罩。為了改善火箭的飛行穩定性，有的火箭在一級尾艙上安裝有尾翼。
長徵五號B尾艙（圖片來源：微博）
級間段是多級火箭級間的連接部件，箱間段是氧化劑儲箱與還原劑儲箱之間的連接部件。
長徵五號基本型
3. 推進系統
推進系統的功能是產生推力，推動火箭向前運動。推進系統分為兩大類：液體推進系統與固體推進系統。液體推進系統包括液體火箭發動機及推進劑輸送系統，固體火箭推進系統就是固體火箭發動機。
火箭發動機（圖片來源：百度圖片）
液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統和自動器組成。推進劑輸送系統由推進劑儲箱、增壓系統、推進劑調節系統以及閥門、導管組成。關於液體發動機的結構與分類將在後續文章中進行詳細介紹。
4. 控制系統
控制系統的作用是控制火箭姿態穩定，使其按預定軌道飛行，並控制火箭發動機關機，達到預定的速度，將有效載荷送入預定軌道。控制系統由制導、姿態控制和綜合三部分組成。
5. 飛行測量及安全系統
飛行測量及安全系統的功能是測量火箭飛行過程中的各種關鍵參數，並判斷其是否安全飛行。
6. 箭上附加系統
一些獨立的、又不可缺少的箭上小系統統稱為附加系統，如瞄準系統、垂直度調整系統、推進劑加注與液位測量系統、空調系統等。
下圖為我國長徵五號基本型與長徵五號B的火箭結構圖。
長徵五號基本型與長徵五號B的火箭結構圖（圖片來源：百度圖片）
運載火箭的構型
&34;齊奧爾科夫斯基最早從理論上提出了多級火箭的概念。每一級火箭都有自己的發動機、儲箱等結構，為了達到足夠高的速度與高度，火箭在飛行過程中必須拋掉冗餘的部分，使火箭更輕，再利用剩下的火箭繼續加速。
火箭一、二級分離（圖片來源：百度圖片）
那麼火箭級數是不是越多越好呢？顯然不是，級數越多火箭結構越複雜，可靠性越低，成本也更高，火箭結構與發動機的質量所佔比重升高，效率也就降低了。那麼，幾級火箭最合適呢？較為常見的是二級、三級火箭，一級火箭很難達到衛星入軌所需要的速度，少量火箭型號採用四級，比較有代表性的是印度的PSLV火箭。
印度PLSV火箭（圖片來源：百度圖片）
多級火箭的連接方式有串聯、並聯和混合式三種方案。
火箭的三種構型
串聯式火箭各級依次同軸配置，縱向連接呈寶塔形。在飛行時先是最下面一級工作，第一級工作結束後將無用的推進劑儲箱和發動機拋掉，第二級再工作，依次類推。比如著名的土星五號火箭。
土星五號運載火箭（圖片來源：百度圖片）
並聯火箭是將火箭的各級縱軸平行組合，故常稱為&34;結構。發射時可以是旁邊的火箭先點火，推進劑耗盡後分離，然後中間發動機點火繼續飛行，也可以是所有發動機同時點火，然後依次拋掉或同時拋掉。現實中很少採用純並聯的火箭構型。
混合式方案是將串聯式和並聯式組合在一起。並且並聯在旁邊的火箭一般相較於中間的芯級火箭較小，通常稱之為助推器。助推器通常在芯一級火箭燃料耗盡之前就會分離，故稱助推器為&34;。如我國的長徵五號基本型為二級半構型，就是中間的二級火箭+四個助推器（半級）的混合式構型。
長徵五號B基本型
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