[科普中国]-运载火箭设计

设计过程设计方案的初步选择

火箭的性能都是由它的用途和任务而定。设计时所采用的发动机、结构、控制系统以及结构的材料可以不同，但所设计出的火箭都可满足所提出的任务的需要。然而，所设计出的火箭的尺寸、加工工艺、技术条件、可靠性、准确性及成本等却可能产生很大的差别，甚至会影响到设计的具体实现。因此，设计方案的选择必须是慎重的，一般都采用多方案比较的办法，从最初提出的十几种或更多的方案中进行比较和选择。这种选择既要照顾到设计出的火箭的高度可靠性和实用性，而且也要考虑到现实性和可能性，即是要考虑到目前国家的科学水平和生产水平以及科学研究新成果的运用。方案的选择是通过专门的总体结构设计部门．经过全面的比较之后方能从这些方案中确定出几个比较好的方案，以作为进一步定案的基础。1

方案的确定上面已经提出的几个比较好的方案，这只是由总体设计部门根据任务要求的初步选择。而要最后定案，就必须协同发动机和控制系统的设计部门再进一步商讨比较，最后共同提出一个最佳方案。这个方案也可能是几个方案中的一个，也可能是吸取这几个方案优点重新提出一个更好、更切合实际的方案。

这一步工作是十分重要的。因为，我们所提出的方案都必须根据已有的发动机和控制系统，加以适当的修改后，来组成方案的基础，而不能以全新的、还没有研究、或正在研究而没成功的发动机和控制系统来作为基础。要研究出一新型的发动机和控制系统需要很长的时问，同时由于还没研究成功，也无法给火箭设计提供准确而可靠的数据。因此，在确定方案时必须吸取发动机及控制系统设计部门的意见，看看他们是否能够按照方案的要求，按时提供可靠的发动机和控制系统，以及从他们本身设计的角度出发对于火箭结构设计的要求是什么。当大家取得一致意见之后，火箭设计的方案即可就此而定。这时总体设计部门也就可以向结构设计、发动机及控制系统设计部门提出初步设计的要求。各部门接受此任务之后就可以开始初步设计、研制及试验工作。1

初步设计初步设计是方案的进一步具体化。它把方案中所提出的任务要求和必要的参数进行具体的计算，对结构的布置进行研究，并审核重量的平衡和修正等。因此，初步设计是一项细致的工作，它主要分成三个部分进行：结构设计、发动机设计和控制系统设计。结构设计的工作内容是进行具体的总体设计和部件设计，详细地选择材料和结构型式，并最后对整个火箭设计进行总平衡，提出各部分的详细参数，向发动机和控制系统设计部门提出具体的设计参数和设计任务书。1

工艺设计这一阶段的工作是在初步结构设计工作的基础上，进行更进一步计算和设计——工艺设计。前面已经谈过，降低火箭的结构重量是火箭设计中具有极其重大意义的工作。因此，工艺设计与初步设计之不同点是要精确地设计出整个火箭的结构，每个零件及部件，仔细研究零件或部件的形状、尺寸、强度和重量。总之，目的在于设计出结构强度高，工作可靠而又要挖去任何多余的重量。虽然设计是十分精确的，但是，由于人们设计技术水平有限，对材料性能掌握不够，对一些新的部件或零件设计的经验不足等原因，而使单纯由理论上设计出来的东西不一定能符合实际情况，即这些新的零件或部件的强度、重量和可靠性并不一定都恰如其分。因此，必须对这些没有把握的零件或部件加工生产，进行模拟尺寸或全尺寸的各种试验，以鉴定其性能、强度，并对设计不合理的地方加以改进，最后达到全部零件工作可靠而结构重量又达到最轻的要求。只有当这一步完全通过时才能算火箭结构的工艺设计基本上完成。

与此同时，其他两个部门也根据总体设计所提的有关参数和设计任务书，对发动机及控制系统分别进行相应的修改和试验，最后提出一套完整的符合于所设计火箭要求的发动机系统和控制系统。

在这过程中，由于对原来的发动机及控制系统有了改进，而使所提供出的部件的性能有所变化，一般说变化不会很大。所以总体设计最后还需根据各部门的最后设计结果作一次方案性的调整，把有关各方面的修正数据吸取到最后的技术设计中，这样才算最后设计出整个运载火箭，拿出整套可供样机制造的图纸。1

样机的生产和地面试车当发动机和控制系统的研制工作接近完成时，就可以进行样机的生产。由于所设计出来的火箭是经过了各个部件的各种试验，性能比较可靠。但是，为了保证生产出的样机真正达到设计要求，还必须生产一定数量的样机来进行各方面的试验。首先，样机的地面试验，这同样是一件十分复杂的工作。它分为如下几个步骤来进行。

1、破坏强度试验

破坏强度试验亦称为静力试验。试验的目的是考核火箭的结构所应当承受的静力负荷，看看它的强度是否能全面地满足设计的要求。很显然，结构的各个部件或零件的强度已经经过部件实验可以满足要求；但是，装配成一个整体之后，由于受到其他部件的影响，因而可能所承受的负荷有变化，以致使部件破坏。在强度试验中这种问题会大量出现，但因有了以前几个阶段的严密工作，所产生的各项问题不会太严重，只需对个别部件加以修改后即可达到要求。

2、水平测试

破坏强度试验完成之后，就可以进行包括发动机及控制系统在内的总装配。装配完成之后就在装配厂内进行水平测试(因一般火箭的总装工作都是水平装配)。由于原来的结构、发动机及控制系统本身就十分复杂，现在要装到一起并协调工作，因此也就更加复杂了。水平测试的目的是要把装配好的火箭，以模拟讯号输入，测试其各个部件的工作情况是否正常、协调。装配过程中各部件相互之间以及一些偶然因素的影响都会导致系统的失灵。因此，必须进行精细的测试、修改和调整，直到一切故障完全消除，才能结束水平测试工作，而进人垂直测试工作。

3、垂直测试和全机试车

水平测试完成后，说明整个系统总装配正确无误，并且各部分运转正常协调。这时即可将火箭运往全机试车台，将它垂直固定在试车架上准备作点火试验。但是，在点火之前还必须作垂直测试，即进行和水平测试相同的测试和一些其他特殊的测试。只有垂直测试通过后才能作全机地面点火试车。垂直测试的目的在于水平测试后火箭又经过运输、竖立和固定等过程，不免受到一些振动，并且在由水平变为垂直位置时，整个系统受力状况有了变化，因此可能产生局部失灵，通过垂直测试即可及时发现这些问题，以便修补和调整。

从火箭设计制造到现在，一直是进行纯部件试验和模拟试验。虽然以前的许多试验都是十分严格和周密的，但是发动机、控制系统、结构部件等并没有受到点火试车的考验。因此，全机试车则是进入了一个近似真实的试验。垂直测试结束后，即可按照所要模拟的条件，进行正式点火试车(对高空火箭可在模拟高空条件下作点火试验)。由于火箭系统非常复杂、精细、设计要求很高，而发动机在工作时和火箭实际飞行时，振动是十分剧烈的。因此，这一步模拟外界条件的试车是必不可少的，它可以确切地鉴定整个系统工作的可靠性，为飞行试验打下可靠的基础，如果发现问题，也可以在发射前进行必要的修正。1

飞行试验通过以前一系列试验而使整个火箭的可靠程度得到了认真的考验。但是，最终的目的还是要真正进行发射。火箭在飞行时不但有振动、摆动等问题影响火箭各部分运转过程，而且还有火箭的稳定、弹道控制、气象条件、各级之间的熄火脱离、点火的配合等十分复杂的问题，也影响着整个系统。这个问题远非地面试车及模拟试验所能够全部解决的。

对于多级运载火箭的飞行试验，也是分成若干步进行的。首先是第一级火箭加上一个假的第二级火箭(重量、形状、尺寸同第二级，但不带第二级的发动机)，进行飞行试验，看两级之问配合情况是否正常。然后才进行第一、二级联合飞行试验，余此类推。只有这样逐步进行试验都成功之后，才能作整个火箭的飞行试验，最后提供出一可靠的、性能符合要求的运载火箭，予以发射人造卫星和星际航行使用。苏联屡次向太平洋中部发射火箭就是这种飞行试验。每一次的试验都标志着苏联在星际航行用的运载火箭方面又有了新的发展，在做新运载火箭的最后调整工作。

从运载火箭的整个设计过程充分地说明了这套技术是十分复杂而严密的，要求也是很严格的。因此，从事这项工作的人必须是用严肃认真的态度来对待，任何轻浮草率都会给整个工作带来不可估量的损失。1

设计特点与原则运载火箭是现代科学技术的结晶，运载火箭的设汁也具有它的鲜明特点与原则，即技术先进性、综合性、高可靠性及低成本。

技术先进性火箭技术属航天技术，它以基础科学和技术科学为基础，集中应用多种科学技术的最新成就。

一枚先进的运载火箭，取决于多种新技术的采用和系统的合理综合。火箭设计应综合体现现代科学技术发展的进程，尽可能地把先进而又成熟的技术应用于火箭设计之中；同时，随着火箭性能的不断提高，应持续不断地向新技术领域探索，提出新的预研课题，作为日后新技术应用的储备。 2

技术综合性运载火箭及其发射支持系统构成的火箭运载系统极其庞大而复杂，是一个能准确地完成特定任务的高技术系统工程。火箭与发射支持系统之间需相互配合、协调，从而形成整个系统的总体性能；而运载火箭本身又由多个分系统及成千上万个部件、组件、零件所组成，各分系统涉及各专业学科，如飞行力学、稳定控制、飞行环境、结构强度、结构弹性振动、推进剂晃动、气动、推进等相互交连，形成火箭设计的特有“界面”问题，因此，必须按系统工程的观点和方法进行火箭总体综合设计。2

高可靠性运载火箭的设计确定之后，火箭的固有可靠性也就随之确定。如果固有可靠性低，日后火箭的潜在故障必将通过各种形式表现出来，小则修复、更换，大则导致飞行失败。运载火箭在总体方案设计初期必须把可靠性指标作为一项没计指标进行分配，使各分系统明确目标、便于管理。提高运载火箭固有可靠性有如下措施：

1)提高可靠性设计水平；

2)简化系统；

3)采用经多次飞行考核的系统、部件；

4)采用有预研基础的新技术；

5)冗余技术；

6)改善地面及飞行环境。

各分系统要按照可靠性设计规范进行抗热、抗振、电磁兼容、抗干扰、极限应力、降额等设计，并开展可靠性试验，进行环境应力筛选、可靠性增长及可靠性验证试验，最后对可靠。陀进行评定验收。 2

低成本运载火箭投入商业发射服务市场，低成本也是增强市场竞争能力．拓宽市场渠道的准则之一二尽可能采用通用、标准的零部件及系统；增大运载火箭与其发射支持系统之间的适应性；减少新技术的应用范围，充分注意到这些新技术开发的费用开支，平衡技术先进与低成本之问的矛盾关系等。

上述四个方面将贯穿到运载火箭整个设计过程，从单机到分系统，从分系统到总体，从地面到飞行，按研制程序贯彻始终。2