“大火箭”壳体“薄如蝉翼”却坚不可摧

发布时间 : 2016-06-13     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

△火箭壳体“蒙皮”厚度1.2毫米

  运载火箭这个庞然大物,身高数十米,体重几十吨,大家都会觉得,火箭外壳肯定特别厚重,才能足够坚固。可是你知道吗?常用的火箭壳体“蒙皮”的厚度都在1.2毫米至2毫米之间,而整流罩的“蒙皮”厚度仅有0.3毫米。如果把火箭比作一个成年人,把壳体比作成年人的外衣,那么这层外衣真的是“薄如蝉翼”。
  那么,火箭壳体是由什么材料制成的呢?为什么这么薄?能保证火箭的坚固性吗?据了解,火箭的外壳专业术语称为“蒙皮”,“蒙皮”的主要材料为铝合金,这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低,在长征三号甲系列、长征二号F等火箭飞行过程中综合性能最好,是做“蒙皮”的最佳选择。而且,最重要的一点,铝合金材料轻,可以为火箭减轻重量,人们形容火箭是“薄皮大馅”,“蒙皮”薄了,就可以装更多的燃料,“举”起更重的卫星。
  除了保证火箭外壳轻薄,更要保证它坚不可摧。为此,设计人员在设计时,会在“蒙皮”内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱型的框架,把框架与蒙皮铆接在一起,这就组成了火箭的一个壳段。火箭箭体结构设计师邵英翠介绍说:“火箭‘蒙皮’很薄、很软,但根据受力分析进行科学计算、结构优化后,用铆钉把‘蒙皮’和框架固定,每一壳段有上千个铆钉,这样就保证了整体结构的强度和刚度。”在发射过程中,无论受到哪个方向的外力,都不会影响火箭的飞行。
  当然,如果“蒙皮”过薄,靠不断加密内部框架来保证坚固性的话,反而会使壳体重量增加,达不到预期效果。因此,设计人员要计算出蒙皮和框环、桁条的最佳配比,既保证用最少的材料,又保证箭体坚固、可靠。技术人员把火箭壳段的重量作为目标函数,其承受的载荷作为约束条件,把蒙皮厚度、桁条截面、数量和分布等作为优化参数,从中寻找到最优化的壳段结构形式。
  箭体结构设计人员李操说:“在满足箭体刚度和强度的前提下,火箭壳体薄了,整个火箭的重量就减轻了,既能保证有效承载,也让火箭飞行地更完美。”
  随着技术不断进步,设计人员计算得也越来越精确,火箭结构也越来越优化,“蒙皮”的厚度也随之变得越来越薄。邵英翠说:“以‘长五’火箭为例,火箭整流罩的‘蒙皮’面板厚度只有0.3毫米,在相同刚度下,火箭壳段的重量将减少10%以上。”这样,火箭就在保证坚固的前提下,承载更多的燃料,把有效载荷顺利送入轨道。

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