卫星整流罩设计与“三化”
李耀民
摘要 对国内外几个典型的运载火箭整流罩进行了综合论述,较系统地阐述了卫星整流罩的组成、功能、结构形式、分离系统以及抛罩试验情况，并对卫星整流罩的设计思想、设计要求及今后如何开展卫星整流罩的“三化”(系列化,规范化,组合化)设计提出了具体意见和建议。
1 前 言
当运载火箭在大气中飞行时,卫星整流罩用于保护卫星及其它有效载荷,以防止卫星受气动力,气动加热及声振等有害环境的影响。它是运载火箭的重要组成部分。
根据运载任务的不同,每种型号的运载火箭都具有一种或多种形状的卫星整流罩,如单星罩、双星罩、多星罩等。就长征系列运载火箭而言,也有各自系统的卫星整流罩。随着长征系列运载火箭逐步进入国际发射市场及国内发射任务的不断增加,一种型号运载火箭也将具有多种形状的卫星整流罩，以满足不同发射任务的需求。如果按任务来设计卫星整流罩,势必增加研制周期,提高发射成本。
国外统计数据表明,完全定制的卫星整流罩的费用,大约比标准整流罩的费用高出75%,为此各国正在积极开展卫星(有效载荷)接口标准化,分离通用化以及卫星整流罩标准化和罩内预封装技术的研究。这不但可以大大降低发射费用,缩短发射准备时间,而且可以提高发射的成功率和可*性。
目前,长征系列各型号在卫星整流罩设计方面,出现了结构雷同、形状各异的多品种卫星整流罩,造成人力、物力、财力和研制周期的浪费。开展卫星整流罩的“三化”(系列化,规范化,组合化)设计已成为当务之急。
本文针对目前存在的问题,通过对国内外几个典型运载火箭卫星整流罩的设计进行综合论述,从中获取一些有益于开展“三化”设计的东西,以提高卫星整流罩设计的标准化水平。
卫星整流罩的组成及功能
2.1 卫星整流罩的组成
卫星整流罩一般为蚌壳式(两半)结构,由端头、前锥段、圆筒段、倒锥段和纵向及横向分离机构等组成
2.2 卫星整流罩的功能
卫星整流罩的功能有：
a) 保护卫星不受气动力的作用;
b) 保护卫星不受气动加热的作用;
c) 解锁分离系统保证卫星整流罩顺利分离;
d) 当运载火箭处于临射状态时,可对整流罩内的温度、湿度进行调节,以保证卫星不受低温和环境的影响;
e) 保护罩内卫星不受各种烟雾环境的污染。
3 卫星整流罩的结构形式
卫星整流罩可以分圆锥-圆筒形(图2)和圆锥-圆筒-倒锥形(图3)两种。
3.2 按结构形式分
3.2.1 半硬壳式铝合金铆接结构
半硬壳式铝合金铆接结构是由蒙皮/桁条/隔框铆接而成的半硬壳式结构。美国宇宙神和宇宙神/人马座运载火箭卫星整流罩就是采用这种结构。欧洲阿里安1运载火箭卫星整流罩也是半硬壳式结构,其端头为不锈钢半球形鼻锥,前锥段用铝合金加软木保护层制成,圆筒段由金属蒙皮和隔框/桁条制成,倒锥段为在两层凯夫拉纤维壁板间充填环氧树脂的蜂窝结构,倒锥段内壁为金属桁条加强结构。
3.2.2 复合材料夹层结构和铝合金蜂窝夹芯结构共用的复合结构
根据卫星整流罩部位的不同,采用了多种复合结构,如美国的大力神3运载火箭卫星整流罩采用了碳/环氧蒙皮和铝蜂窝夹芯结构，欧洲阿里安4采用了碳纤维、玻璃钢纤维混合增强的环氧复合材料蒙皮和铝蜂窝夹芯胶接夹层结构。阿里安5则改为碳纤维增强塑料蒙皮和铝蜂窝芯的夹层结构。日本H-2运载火箭卫星整流罩的端头帽是用铝合金制成的一体成形件,锥段和筒段均采用了铝合金蜂窝夹层结构。为了防止气动加热的影响,在端头帽和锥段涂有二氧化硅系的耐热涂层。
CZ-3运载火箭卫星整流罩的端头采用了玻璃钢结构,前锥段采用了非金属玻璃钢蜂窝夹芯结构,筒段为铝合金蜂窝夹芯结构,而倒锥段则为化铣网格结构。到CZ-3A时,端头改用玻璃钢复合材料,前锥和筒段均为铝合金蜂窝夹层复合结构,外表面贴软木防热。CZ-2E运载火箭卫星整流罩的端头为玻璃钢层压结构,前锥段为玻璃钢面板和玻璃钢夹芯的胶接夹层结构,圆筒段和倒锥段采用铝合金面板和铝合金蜂窝夹芯的胶接夹层结构。
3.3 按分离方式分
3.3.1 过顶式分离的整体罩结构
卫星整流罩为一整体,分离时整流罩向前推,直到卫星完全脱离。
3.3.2 剥离式分离的蚌式结构
整流罩沿纵向分开成两半,象一个蚌壳,*箍带或锁销、爆炸螺栓和无污染导爆索连接在一起,成为一个受力构件。分离冲量装置有弹簧、火药弹射筒、冷气射流和无污染导爆索。目前大型卫星整流罩普遍采用这种结构。
运载火箭卫星整流罩的结构参数见表1～2。
4 卫星整流罩结构设计准则
a) 卫星整流罩外形选择要使抖振载荷和迎面阻力达到最小。头部半锥角一般取15°≤θ≤25°,端头半径r与罩的最大直径D之比应在0.3≤2r/D≤0.7范围内。倒锥角δ的选取要考虑下面3个因素:1) 火箭的静稳定度下降;2) 抖振载荷是否增大;3) 附面层分离的可能性。
b) 整流罩要有良好的无线电波穿透性。为了满足有效载荷与地面站之间通信联系和遥测的需要,要专门设计透过无线电波的倒锥段。而在圆筒段上可以开无线电波窗口。
c) 要有相当大的有效空间(净空间)。整流罩内有效空间容积为35～40 m3 ,净空间过小会发生机械卡死使分离失败。
d) 整流罩上要开若干个窗口。为了便于对各种仪器进行检修和更换,要开若干个操作窗口,如卫星与地面设备相连的脱落插头插口。此外, 还要开若干个放气孔,以保证在飞行过程中泄放罩内气体,使罩内气压与罩外气压保持平衡,以免在飞行过程中罩内过压导致结构破坏。
e) 整流罩结构的轻量化。虽然卫星整流罩在飞出大气层(大约100～140 km上空)后被抛掉,但减轻整流罩的结构重量仍然是十分重要的。目前采用的复合材料蜂窝结构和铝蜂窝夹芯结构比半硬壳式结构轻约30%。考虑到玻璃钢结构重量比常规铝蜂窝夹层结构和半硬壳式结构重,在不要求全向透波时,尽量少用玻璃钢结构。
f) 整流罩防热及降噪设计。根据环境条件要求,整流罩内温度和声载环境要进行控制。质子号运载火箭卫星整流罩射前罩内温度控制在14～26.7℃,最大湿度50%,分离前最高温度为33℃,最大声载130 dB。宇宙号罩内最高温度可达180℃,最大声载140 dB。H-2罩内壁热辐射500 W/m2 ,声载141 dB。CZ-3罩内温度≤70℃,罩内壁温度≯300℃,声载约148 dB。为此,在整流罩结构设计时,要采取防热和降噪措施。
g) 整流罩的吊装和运输。随着运载能力的不断提高,卫星整流罩的结构尺寸由过去的罩长2.4 m增加到13.3 m。罩径由1 m增加到5.5 m,这对产品的吊装和运输带来诸多的不便。为此在结构设计时均采用了分瓣运输,整体吊装方案。CZ-2E卫星整流罩就采用了四瓣运输,两两对接组合成两半罩再组合吊装。
5 卫星整流罩分离系统
分离系统的功能是当运载火箭飞出大气层后,卫星整流罩的作用已完成,就将其从运载火箭上分离出去,并且使整流罩与卫星和运载火箭之间有足够的分离距离。分离系统包括纵向分离系统和横向分离系统。当两套系统引爆时,几乎同时分离(仅差0.1 s),完成抛罩任务。
5.1.1 平推分离方案
采用横向包带解锁,纵向无污染导爆索平推分离。其原理是:导爆索点火后产生的燃气通过内外衰减管进到软胶囊,体积膨胀的胶囊剪切断铆钉,将半罩以一定的速度推开,实现分离。这种方案对卫星不会有任何污染,解锁与分离机构合一,简化了结构,提高了可*性,是一种比较理想的分离方案。德尔它、阿里安、H-1等运载火箭都采用了此种方案。分离系统工作原理图见图4～6。
卫星整流罩的功能有：
a) 保护卫星不受气动力的作用;
b) 保护卫星不受气动加热的作用;
c) 解锁分离系统保证卫星整流罩顺利分离;
d) 当运载火箭处于临射状态时,可对整流罩内的温度、湿度进行调节,以保证卫星不受低温和环境的影响;
e) 保护罩内卫星不受各种烟雾环境的污染。
没那么复杂,很简单:就是改善气动力特性,减小阻力.保护内部仪器.
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