长征系列运载火箭介绍_长征三号系列_二_

长征系列运载火箭介绍:

长征三号系列(二)

陈国华

二、总体布局

箭,由一子级、推进系统、控制系统、遥测系统、外测安全系统、滑行段推进剂管理与姿态控制系统等组成。

箭体结构一方面承受载荷,一方面又起着支承各个系统的作用,将它们连成一个整体。控制系统、遥测系统和外测安全系统的仪器主要安装在仪器舱内,也有少部分仪器根据需要分布于尾段或箱间段。

为了减轻贮箱的结构质量,简化推进剂输送管道和尽可能提高液氢使用的安全性,三子级推进剂贮箱的配置与一、二子级的不同,将燃料箱安排在氧化剂箱的上面。

一、二级之间的分离采用热分离方式,一级发动机关闭之前二级发动机就开始起动,然后再令一、二级之间的连接爆炸螺栓起爆,在二级发动机推力的作用下实现分离。二级飞行末期,在主发动机已经关闭,而游动发动机仍在工作的情况下,卫星整流罩被抛掉,然后游动发动机关闭,连接二、三级箭体的爆炸螺栓和安装在级间段上的8台固体反推火箭同时点燃,在反向推力的作April1998　AerospaceChina

用下,,。发,包带解锁后,安装在三子级后短壳上的反推火箭点火,使三子级减速,实现分离,分离过程中卫星不受分离力的影响。发射外国卫星时,应用户要求,采用了分离弹簧。包带解锁后,分离弹簧的约束同时解除,弹簧力使卫星加速,同时使三子级减速,实现分离。

三、箭体结构

长征三号火箭的结构包括一

子级、二子级、三子级和整流罩,主要结构材料是LD10铝合金。

11一子级结构

一子级结构由尾翼、尾段、后过渡段、燃料箱、箱间段、氧化剂箱、级间段和导管、阀门等组成。

尾翼平面为直角梯形,翼根弦长212米,翼展114米,变厚度楔形双梁蜂窝夹芯结构。

尾段为外加桁梁式薄壁全铆接结构,由两个半壳沿纵向对接合拢而成。长征三号的尾段结构和功能与长征二号C的尾段不完全相同。为了提高火箭的飞行稳定性,长征三号尾段上增加了4个尾翼及相应的安装结构。火箭竖立在发射台上时,长征二号C的发射支点在尾段的上方,尾

图2　长征三号的外形及总体布局

段不承受支承力,而长征三号的发射支点在尾段的下端,支承力由尾段承受和传递,为此在尾段壳体的表面设置了8根大梁,在尾段上端有4个前接头,在尾段下端有4个支承块。这样,支承块、大梁和前接头组成了承、传力结构。

后过渡段、燃料箱、箱间段、氧化剂箱以及导管、阀门等均与长征二号C的相应部分相同。

级间段包括筒段与杆系结构

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缩短火箭长度和减轻结构质量,两箱之间采用共底。共底凸向液氢箱。贮箱的外表面包覆了绝热层,对输送推进剂的导管也采取了绝热措施。

液氧箱由后短壳、后底、圆筒。后底为椭球底,,液氧输送口处装构,筒内装了环形防晃板,以抑制液氧的晃动。此外,箱内还装有测量液位和温度的传感器。共底的型面与下底相同,由非金属蜂窝结构与上、下面板构成,其外侧焊有抽空管嘴和真空度测量及气体分析管嘴。加注推进剂之前,将共底抽至近于真空,加注后腔内气体冷凝,真空度进一步提高,达到绝热的目的。共底的边缘与上、下两个贮箱的箱壁相连。为了防止箱壁之间的热传导,在此处采用了绝热的承力结构。

液氢箱由共底、圆筒段、前底和前短壳组成。圆筒段由4个筒形

图3　长征三号子级结构图

壳段组焊而成。筒内分三层共装

两部分。杆系由24根斜杆和上、

下对接框组成。长征三号的斜杆比长征二号C的少8根,相对来说其抗扭刚度高了,但减弱了抗弯曲能力。

21二子级结构

二子级结构由燃料箱、箱间段、氧化剂箱、级间段及导管、阀门等组成。

燃料箱、箱间段和氧化剂箱的结构与长征二号C相应部分相同,只是长征三号的氧化剂箱前底上设置了绝热帽,以防止三子级加注推进剂后低温对氧化剂・22・

箱的影响。

二子级的级间段是截锥形的半硬壳式结构,外表面粘贴了一层301软木防热层。它既是连接二、三子级的承力结构,又是三子级的发动机舱。由于二、三子级间的级间分离是冷分离,所以不需要考虑排焰问题。

31三子级结构

三子级结构由共底绝热贮箱、仪器舱、有效载荷支架、转接锥及阀门、导管等组成。三子级贮箱为共底贮箱,上箱贮存液氢,下箱贮存液氧。为

图4　长征三号三子级箱体结构图

中国航天　1998年第4期

有6块扇形防晃板及一个环形防晃框,用以抑制晃动,还装有破坏液氢温度分层的环形结构。前底也是椭球形的,正中开有人孔。前短壳用化铣网格整体壁板构成。

贮箱外表面的绝热层是以喷涂聚氨酯泡沫塑料为主体的多层密封缠绕式结构,由缓冲层、隔热层和防护层三部分组成。缓冲层的作用是改善铝合金箱壁与泡沫的变形不一致,地粘接到箱壁上作用。防护层的作用是防止气体渗透,防机械损伤,防热辐射和保护整个绝热层,使之能经受飞行中的气流冲刷。

仪器舱位于贮箱上端,与卫星、转接锥和有效载荷支架一起,被罩在整流罩之内。仪器舱由截锥形壳体、环形圆盘、支承杆和井字梁组成。截锥形壳体是铝蜂窝结构,上部有上端框,框内缘的8个凸耳用以安装井字梁;框外缘有一支撑台阶用来安装环形圆盘。截锥体的下端框与贮箱的前短壳相连。环形圆盘由约束阻尼复合板构成,其内缘与锥壳的上框相连,外缘通过16根型材撑杆支承在锥壳的下端框上。为增加圆盘的刚度和减轻结构质量,在其上冲有若干减轻孔。井字梁用“工”字梁构成,有很高的强度和刚度。仪器舱边缘的Ⅱ2Ⅳ象限线处各设有两块挡板,防止因整流罩分离时发生意外事件而伤害仪器。仪器舱与液氢箱之间有一层隔离膜,防止可能产生的氢气进入仪器舱。

有效载荷支架也是截锥形壳体,铝蜂窝夹芯结构。由于惯性平April1998　AerospaceChina

台安装在壳体内部,所以在壳体上开有160毫米×160毫米的方孔,以便在发射时,通过它以及在整流罩倒锥段开的透明舱口使发射场的瞄准设备与惯性平台上的棱镜通视,以瞄准射向。长征三号的转接锥有A、B两种型号。A型用于发射国内卫星,锥高680毫米,与卫星接口尺寸为Φ872毫米;B型用于发射外国制造的卫星,锥高300毫米,与卫星的接口尺寸是国际上通用的标准接口Φ937毫米。两种型号的转接锥下对接框都是与有效载荷支架相连,对接尺寸为Φ1036毫米。上对接框通过包带与卫星的对接框相连。

液氢的粘度低,渗透性强,再加上超低温,给阀门、导管带来了密封和绝热上的困难。三子级上除了对密封材料进行选择外,还对阀门或导管接头的结构采用了

图5　长征三号仪器舱结构图

气密设计。三子级共有阀门17种,导管23种。其中的液氢输送管比较复杂,是双层的真空导管,由内管、外管和防辐射夹层组成,使用前将夹层之间抽成真空,使通过导管的液氢温升低于01003摄氏度。液氢输送管设在贮箱外面,绕过液氧箱后,通向发动机。

41整流罩

长征三号的整流罩有A、B两种型号。A型罩的最大直径为216米,圆筒段长度214米;B型罩的最大直径是310米,圆筒段长度216米。两者除直径和高度不同之外,结构形式和分离方式

图6　长征三号抛罩过程示意图

・23・

表2　国外几个型号研制经费情况国家及火箭

研制时间

发射次数研制经费(亿美元)

150

2820

[**************]7总计[***********]总计80101828约1191229总计[1**********]14(亿欧币单位)

80中国长征火箭研制历史回顾与思考(二)

曲以广

表1　美国

德尔它系列1957～1979年

1980～1985年1986～1990年土星系列土星I土星IBV

19581969年年年1067797916

三、长征火箭与国外几个主要火箭型号发射记录的对比　　发射中(有一种观点,在失败次数与其总发射次数之间存在着近似的平方根关系,即某一火箭的失败次数与其总发射次数的平方根大致相当),所以,简单地把总成功率(即用发射成功的次数去除总发射次数得出的成功率)用作对比各型号火箭的指标是不够科学的,也是不够严谨的。表1统计了几个主要国家或地区的

型号前50型号四级质子号各型号总计雷神系列宇宙神系列欧洲号阿里安各型号总计各型号总计长征火箭

101965/07～1975/061967/03～1978/101955/07～1960/041958/08～1961/111958/12～1964/021979/12～1992/041966/09～1990/121979/08～1994/101970/04～1997/12

)()

50

[***********]49

1962%1570%1472%3040%176617%1864%73614%590%982%460%687175%

1972年

1973～1985年1986～1990年欧洲空间局阿里安1阿里安2阿里安3阿里安4阿里安5日本

美国欧联欧空局日本印度中国

1973～1979年1980～1986年1980～1984年1982～1988年1988～1996年　　说明:

11阿里安火箭的研制时间是指该型号

从研制到首发;

航天事业风险高。在前50发的

统计中,长征火箭的成功率比较高,低于欧空局的阿里安火箭但高于日本、美国以及前苏联的火箭成功率。

21完成50次发射的时间差别很大,美国只用了不到5年的时间,苏联是6年,而我国则需要28年,这既反映了一个国家的航天技术水平,更说明了国家对航天事业投入的多少以及整个炸螺栓和铰链机构与三子级箭体相连。双锥段对无线电波是透明的,透波率约为85%。二级飞行末期,大气环境已不会危害卫星,整流罩与火箭分离。分离时,控制系统先令与三子级相连的爆炸螺栓起爆,然后再使将两个半罩连成整体的爆炸螺栓起爆。这时,两个半罩各自在分离弹簧的

21美国、日本的次数一列是指在发射

时间段内的发射次数;

31研制经费均是历年经费之和,未经

折算。

31日本完成前50次发射的

主要火箭型号的前50次或早期

的发射记录,表2统计了国外几个型号的研制经费情况。

以上的统计数据说明:

11在火箭研制的早期,各

国都面临一个在技术方面不断探索的过程,所以,虽然程度不都是一样的。火箭处于临射状态时,发射场的空调系统可以对整流罩内部进行空调,确保罩内的温度、湿度和洁净度满足卫星的要求。整流罩由玻璃钢端头、非金属蜂窝的双锥段、金属蜂窝的圆筒段和化铣的倒锥段组成。成品是两个独立的半罩,发射前通过爆炸螺栓连成整体,并通过爆・24・

时间是24年,但其失败主要集中在前十年左右的自行研制阶段,而从1975年开始重金购买美国的成熟技术以后,日本的成功率就非常之高。日本航天业的发展过程更清楚地说明了航天业的另一个重要特点:航天事业需要高投入。

作用下,绕下端的铰链旋转。当转到一定的角度时,铰链脱开,半罩在离心力的作用下,沿切线方向离开三子级箭体。由于瞄准的需要,在倒锥段的第Ⅲ象限线上开有瞄准窗口,因而在Ⅰ2Ⅲ象限线上不能设分离面,整流罩只能从Ⅱ2Ⅳ平面分离。

(待续)

中国航天　1998年第4期