【簡介：】我們知道，火箭種目繁多，不可一一列舉。在此，我們只重點介紹航天運載火箭的結(jié)構(gòu)和組成，并且只以化學(xué)能火箭為主要介紹對象。事實上，運載火箭主要包括動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、殼體及結(jié)

我們知道，火箭種目繁多，不可一一列舉。在此，我們只重點介紹航天運載火箭的結(jié)構(gòu)和組成，并且只以化學(xué)能火箭為主要介紹對象。

事實上，運載火箭主要包括動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、殼體及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、有效載荷系統(tǒng)四大部分。那么，它們都有什么功用呢？下面作一一介紹。

火箭發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)

火箭發(fā)動機(jī)是使火箭具有強(qiáng)大推力的動力系統(tǒng)。它包括主動力系統(tǒng)和其他輔助動力設(shè)備。如果從燃料形式不同來分，則有固體(推進(jìn)劑)發(fā)動機(jī)、液體(推進(jìn)劑)發(fā)動機(jī)、固液混合(推進(jìn)劑)發(fā)動機(jī)。這里所說的推進(jìn)劑只包括燃燒劑和氧化劑兩部分。這三種推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)是不同的。

固體火箭發(fā)動機(jī)

固體火箭發(fā)動機(jī)通常由燃燒室、噴管和點火裝置等組成。燃燒室是放置固體推進(jìn)劑藥柱的場所，燃燒室的后部連接噴管，噴管可以是一個，也可以是多個。而點火裝置則是由電爆管、點火藥和殼體結(jié)構(gòu)組成，它實際上也是一個小型的固體發(fā)動機(jī)。點火裝置按照不同的點火要求，可以安裝在發(fā)動機(jī)的頭部、藥柱的中部或尾端。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，先通電使電爆管爆炸，引燃點火藥，然后由點火藥點燃存放在燃燒室內(nèi)的藥柱，藥柱燃燒產(chǎn)生的燃?xì)饬魍ㄟ^噴管高速噴出而產(chǎn)生推力。

固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)較簡單，工作可靠，藥柱可長期貯存于燃燒室內(nèi)，但效能較低，工作時間短，不易多次啟動，而推力大小、方向的調(diào)節(jié)也比較困難。

液體火箭發(fā)動機(jī)

液體火箭發(fā)動機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)組成。

推力室是發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生推力的那一部分，它由推進(jìn)劑噴注器、燃燒室和噴管組成。對非自燃推進(jìn)劑來說，還有點火裝置，如火花塞等。推進(jìn)劑由噴注器噴入燃燒室，經(jīng)霧化、混合、燃燒，形成3000℃—4000℃的高溫和幾十兆帕的高壓燃?xì)猓趪姽軆?nèi)迅速膨脹，以每秒數(shù)千米的速度高速噴出而產(chǎn)生推力。

而推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)則是把液體推進(jìn)劑從貯箱輸送到推力室的系統(tǒng)，這就好比是人的心血管系統(tǒng)一樣，構(gòu)造十分復(fù)雜。它有擠壓式和泵壓式兩種。對現(xiàn)代大型火箭來說，主要是泵壓式(包括泵、渦輪、傳動機(jī)構(gòu)和渦輪啟動系統(tǒng)等）。

推進(jìn)劑是靠高速轉(zhuǎn)動的渦輪泵送到推力室的。因此，渦輪泵常常被說成是火箭的心臟。而發(fā)動機(jī)要工作，必須先讓渦輪泵轉(zhuǎn)動起來，這就是渦輪啟動系統(tǒng)的任務(wù)。渦輪啟動系統(tǒng)就像是心臟起搏器一樣。渦輪啟動系統(tǒng)的種類很多，現(xiàn)以燃?xì)獍l(fā)生器的啟動裝置為例，來說明推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的工作原理和過程。

燃?xì)獍l(fā)生器是如何點火使推進(jìn)劑燃燒的呢?工作過程是這樣的：燃?xì)獍l(fā)生器包括火藥啟動器和電爆管。電爆管通電后爆炸，引起火藥爆炸，產(chǎn)生低溫燃?xì)猓M(jìn)而吹動渦輪葉片，渦輪帶動泵旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動起來的泵將推進(jìn)劑的一部分送進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器，而另一部分則送進(jìn)推力室。進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的推進(jìn)劑燃燒生成高溫高壓燃?xì)猓?qū)動渦輪泵以更高的速度旋轉(zhuǎn)，將大量的推進(jìn)劑輸送到推力室燃燒，進(jìn)而產(chǎn)生推力。

而發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的作用是控制發(fā)動機(jī)的啟動、點火和關(guān)機(jī)(即熄火)等工作程序，控制推進(jìn)劑的混合比例，控制推力的大小和方向等。

其工作程序控制由按事先設(shè)計好的程序打開和關(guān)閉發(fā)動機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)的閥門來完成。

而推進(jìn)劑的混合比例和推力的大小，則通過發(fā)動機(jī)上特有的裝置和方法來控制。

推力方向控制早期采用石墨做成的舵來進(jìn)行。它安裝在噴管的排氣出口，像船舶的舵那樣，通過改變噴氣流的方向來調(diào)整推力方向。目前，一般采用搖擺發(fā)動機(jī)，即通過發(fā)動機(jī)的偏轉(zhuǎn)來調(diào)整推力方向。石墨舵偏轉(zhuǎn)和發(fā)動機(jī)的搖擺，都是由火箭的控制系統(tǒng)發(fā)出命令，通過一個叫做液壓伺服機(jī)構(gòu)的裝置來完成的。

固液混合火箭發(fā)動機(jī)

這種火箭發(fā)動機(jī)一般是由放置固體燃料(或氧化劑藥柱)的燃料室、噴管和貯放液態(tài)氧化劑和燃燒劑的貯箱以及液體推進(jìn)劑組分供應(yīng)系統(tǒng)所組成。

當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，可以是固態(tài)、液態(tài)推進(jìn)劑組分相互接觸時自燃點火，也可以像固體發(fā)動機(jī)那樣安裝一個火藥點火器。液體推進(jìn)劑組分的供應(yīng)則用壓縮氣體或燃?xì)鉁u輪泵來供應(yīng)。

上述三種發(fā)動機(jī)，不論是哪種類型，要提高其性能，主要是提高發(fā)動機(jī)的噴氣速度。因此，最重要的是選擇高性能的推進(jìn)劑。同時要優(yōu)化發(fā)動機(jī)設(shè)計方案，在盡量減少發(fā)動機(jī)自重的同時，提高推進(jìn)劑的比沖值(即能量效應(yīng))。

火箭飛行控制系統(tǒng)

火箭飛行控制系統(tǒng)是運載火箭的“智能”部分，好比是火箭的眼睛、大腦和手腳。通常它是由制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)控制與電源配電組成的火箭飛行控制系統(tǒng)和設(shè)置在地面的測試檢查及發(fā)射控制系統(tǒng)組成。

制導(dǎo)系統(tǒng)

制導(dǎo)系統(tǒng)由慣性平臺和計算機(jī)組成，用于控制火箭發(fā)動機(jī)準(zhǔn)時點火、關(guān)機(jī)和火箭各級的分離，使火箭能按預(yù)定軌道飛行和確保有效載荷的入軌精度。

姿態(tài)控制

姿態(tài)控制用于糾正火箭在飛行過程中的俯仰、偏航和滾動誤差，保持火箭以正確的姿態(tài)飛行，并實施定向和防流星碰撞。在動力飛行段，姿態(tài)控制通過慣性平臺速率陀螺—數(shù)字控制器—伺服機(jī)構(gòu)連續(xù)控制方案來實現(xiàn)；而在慣性飛行段，姿控系統(tǒng)則通過裝有小型單組元推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)的開關(guān)控制方案來實現(xiàn)。

電源配電系統(tǒng)

電源配電系統(tǒng)的作用，一是給控制系統(tǒng)的儀器儀表供電和配電；二是按火箭飛行的先后工作程序發(fā)出時間順序的命令；三是控制火箭工作狀態(tài)的變化。

火箭測控系統(tǒng)

火箭的制導(dǎo)控制和姿態(tài)控制等是由測控系統(tǒng)來實施指揮的。

飛行控制系統(tǒng)主要由測試儀表(陀螺儀、加速度表等)、中間裝置(電子計算機(jī)等)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(中磁閥門、電爆器材、姿態(tài)噴管、發(fā)動機(jī)伺服機(jī)構(gòu)等)和電源配電裝置(電池、二次電源、配電器等)組成。

其中，測量儀表好比是火箭的“眼睛”，它能隨時監(jiān)視運載火箭飛行路線是否對頭，飛行姿態(tài)是否正確，并及時發(fā)出糾偏信號；中間裝置則是火箭的“大腦”，它接到測量儀表發(fā)來的各種糾偏信號后，立即進(jìn)行計算和綜合處理，并將信號放大后傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)接到中間裝備傳來的命令后，把電信號轉(zhuǎn)變成一種相應(yīng)的機(jī)械運動，準(zhǔn)確地對火箭飛行路線或飛行姿態(tài)進(jìn)行糾偏，使發(fā)動機(jī)能按時點火、關(guān)機(jī)和實現(xiàn)各級按時分離。所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)好比是運載火箭的“手腳”。 火箭殼體及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

火箭的殼體及其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是安裝有效載荷、飛行控制系統(tǒng)、動力裝置等箭上設(shè)備，并將它們連成一個有機(jī)整體的框架系統(tǒng)。

殼體及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不僅肩負(fù)著火箭在運輸、發(fā)射和飛行過程中承受各種外力、保護(hù)箭內(nèi)儀器設(shè)備不受損害的任務(wù)，而且還有流線型的光滑外殼，使火箭具有良好的空氣動力外形和飛行性能。對一枚大型多級液體火箭而言，其箭體結(jié)構(gòu)通常由有效載荷艙、整流罩儀器艙、氧化劑貯箱、燃料貯箱、級間段、發(fā)動機(jī)推力結(jié)構(gòu)、尾艙和分離機(jī)構(gòu)等組成。

載荷艙

有效載荷艙一般位于運載火箭的頂端，它是安放衛(wèi)星、飛船等有效載荷的地方。整流罩是保護(hù)有效載荷的火箭外殼。在有效載荷與箭體分離前，整流罩將按照控制系統(tǒng)的命令在空中與衛(wèi)星或飛船脫離。

儀器艙

儀器艙一般在有效載荷艙的下面，它是安裝飛行控制系統(tǒng)主要儀器設(shè)備的專用艙段。

箭體結(jié)構(gòu)

火箭箭體結(jié)構(gòu)有多種形式，有單級箭體、多級箭體和捆綁式箭體之分。多級運載火箭各級之間的連接方式有串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)三種。串聯(lián)式火箭是把數(shù)枚單級火箭頭尾相接，連為一體。并聯(lián)火箭又叫捆綁式火箭，它是把較大的一枚單級火箭放置中央，稱為芯級，在其周圍再捆綁若干枚助推火箭，或助推器，稱之為助推級。串并聯(lián)式火箭與并聯(lián)式火箭的區(qū)別在于它的芯級不是一枚單級火箭，而是串聯(lián)的多級火箭。

知識點

推進(jìn)劑

推進(jìn)劑又稱推進(jìn)藥，能有規(guī)律地燃燒釋放出能量，產(chǎn)生氣體，推送火箭和導(dǎo)彈的運行。推進(jìn)劑具有下列特性：①比沖量高；②密度大；③燃燒產(chǎn)物的氣體（或蒸氣）分子量小，離解度小，無毒、無煙、無腐蝕性，不含凝聚態(tài)物質(zhì)；④火焰溫度不高，以免燒蝕噴管；⑤有較寬的溫度適應(yīng)范圍；⑥點火容易，燃燒穩(wěn)定，燃速可調(diào)范圍大；⑦物理化學(xué)穩(wěn)定性良好，能長期貯存；⑧機(jī)械感度小，生產(chǎn)、加工、運輸、使用中安全可靠；⑨若為固體推進(jìn)劑，還應(yīng)有良好的力學(xué)性質(zhì)，有較大的抗拉強(qiáng)度和延伸率。常用的推進(jìn)劑主要有固體、液體兩種，少量固液混合體也在試用。