共底贮箱：助力火箭减重增效性能提升

7月26日，我国首个3.35米直径氢氧共底贮箱的共底顺利通过系列静力试验考核，将用于新一代中型运载火箭通用氢氧末级。什么是火箭共底贮箱？贮箱采用这种结构，有哪些好处？科研人员需要克服哪些技术挑战呢？

样式不少有讲究

共底贮箱经常应用在国内外运载火箭上。顾名思义，它指的是两个贮箱有一个共用的箱底，称为共底，总体上看，是一个半球或半椭球形状的结构件。通过共底结构，上、下两个火箭贮箱可以连接成一体。

根据共底的形状，共底贮箱可以分为上凸式、下凹式和异形结构等样式。

其中，上凸式即共底向上拱起，下凹式与之相反。上凸式和下凹式都是当前共底结构的常见形式，共底具体向哪个方向拱起，主要是根据上、下贮箱工作时的压力而定。一般来说，共底应该向压力小的贮箱方向拱起。

上凸式共底应用较早。发射美国第一艘载人飞船的宇宙神D火箭，日本N-1中型火箭，我国成功发射东方红一号卫星的第一型火箭长征一号，还有长征三号甲系列、长征六号、长征八号等火箭，都是它的“客户”。

下凹式共底在这方面也不逊色，用户包括近年风头正劲的猎鹰9可回收复用火箭、苏联第一种采用全自动发射技术的三级火箭旋风3号、昔日国际航天发射市场“霸主”质子号火箭、刚刚退役的欧空局阿里安5火箭，还有印度PSLV火箭等。

至于异形结构共底贮箱，较为少见，应用先例是阿里安5火箭，其液氢液氧动力二子级最初计划对液氧贮箱和液氢贮箱分别独立设计，并将液氧贮箱悬挂于液氢贮箱下。后来方案改进，它们采用了直径不同的异形结构共底贮箱设计。

超大直径共底贮箱正在转运中

从推进剂种类上看，共底贮箱可以分为常温和低温两大类。从结构形式上看，共底贮箱又可分为单层和双层。

火箭具体选择哪种共底结构，并无一定之规，一般与推进剂的种类相关：常温推进剂可采用单层共底贮箱，而低温推进剂由于两个贮箱内的推进剂存在温差，更适合采用双层真空式或蜂窝、泡沫等夹芯式共底贮箱。

比如，旋风3号火箭二级使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂，日本N-1火箭二级则是四氧化二氮/混肼-50推进剂，均采用单层共底贮箱。而美国的土星5号重型火箭二级和三级均使用液氧液氢推进剂，故采用双层共底贮箱。

设计制造有挑战

液体火箭的贮箱必须容纳氧化剂和燃烧剂，进而供应发动机，产生推力，就像汽油与空气中的氧气燃烧而推动汽车行驶一样。通常情况下，氧化剂和燃烧剂可以装在两个独立设计的贮箱内，称为分体式贮箱。相比之下，共底贮箱需要兼顾两个贮箱的性能，无论是设计，还是制造，均具有一定的技术难度。

共底是共底贮箱设计的关键，既要能隔热，又要能承载，堪称设计的首要难题。

火箭推进剂分为常温推进剂、低温推进剂等，在火箭飞行时，对应的发动机、管路等都需要在合适的温度下正常工作。尤其对于低温推进剂共底贮箱，两个贮箱中的推进剂存在温差，共底需要“隔离”这个温差。

除了要隔热外，共底必须承受温差引起的温度载荷、上面贮箱推进剂的重量、贮箱内增压压力以及火箭推力、自重等引起的载荷的综合作用，这些都要求火箭设计师确定合理的结构参数，使共底贮箱可以承受内外压载荷及温度载荷，满足结构强度和稳定性要求。

此外，共底贮箱的生产制造也更具挑战性。共底不能发生破裂，一旦推进剂渗漏，就会有爆炸风险，因此共底的加工制造对焊接质量、材料选取和焊缝控制的要求很高。在焊接过程中，结构极易发生变形，必须保证箱底的局部变形不能太大。

特别是对于低温共底贮箱来说，共底需要做成双层并具备隔热功能。如果隔热结构采用真空式双层结构，必须抽真空，在制造及试验方面都是难度极大的。如果采用蜂窝、泡沫等夹芯式复合材料，那么复合材料的质量直接影响到共底结构的承载能力。再考虑到复合材料纤维易出现气泡、脱粘等缺陷，科研人员必须攻克复合材料制备成型与粘接等技术难关。

尤其是大直径共底贮箱，对生产制造能力提出了更高要求，必须拥有更大型的加工设备和成熟的加工工艺，确保产品与设计参数吻合，从而解决精确装配和载荷传递等难题。

减重缩短性能高

共底贮箱具备特有的优势，对于运载火箭性能提升帮助很大，至少体现在3个方面。

其一，采用共底贮箱，可以省去一个贮箱箱底的“死重”。

其二，贮箱采用非共底设计时，每个贮箱均需承受内压作用，实现共底后，可以利用上、下贮箱之间的压差来抵消各自的内压载荷，进一步减轻箱底质量。

其三，共底贮箱意味着取消了箱间段设计，节省了这部分结构质量。

不难看出，共底贮箱提高了火箭结构效率，有利于火箭减重，使火箭起飞时可以携带更多有效载荷，提高运载能力。同时，火箭长度缩短，优化了长细比，降低了“弹性”，使火箭飞行更加稳定。

值得一提的是，近年来国外新研制的运载火箭，如“火神-半人马座”“星舰”等，多采用下凹式内输运共底贮箱。其推进剂输送系统布局更简单，有利于减少推进剂的不可用量，进一步帮助火箭减重，同时能够运送更多的有效载荷上天。另外，由于输送管位于共底贮箱内部，减少了火箭外表面的结构凸起，优化了火箭的气动外形。

总之，共底贮箱将两个贮箱“合二为一”，使火箭结构更轻，飞行更稳，能力更强，性能更优。随着设计、制造、工艺等水平提高，共底贮箱将会越来越广泛地应用于火箭设计中。“小”改变带来诸多好处，共底贮箱无愧于火箭性能提升的“好帮手”。（作者：庄方方 图片来源：中国运载火箭技术研究院 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）