衛星整流罩

衛星整流罩

整流罩用于保護衛星及其它有效載荷,以防止衛星受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環境的影響,是運載火箭的重要組成部分。衛星整流罩一般為蚌殼式(兩半)結構,由端頭、前錐段、圓筒段、倒錐段和縱向及橫向分離機構等組成。

  • 中文名稱
    整流罩
  • 外文名稱
    fairing
  • 註    音
    ㄓㄥˇ ㄌㄧㄨˊㄓㄠˋ
  • 拼    音
    zhěng liúzhào

概 述

運載火箭在大氣中飛行時,衛星整流罩用于保護衛星及其它有效載荷,以防止衛星受氣動力,氣動加熱及聲振等有害環境的影響。它是運載火箭的重要組成部分。在飛彈方面,是飛彈多彈頭化的必然產物。

詳細介紹

根據運載任務的不同,每種型號的運載火箭都具有一種或多種形狀的衛星整流罩,如單星罩、雙星罩、多星罩等。就長征系列運載火箭而言,也有各自系統的衛星整流罩。隨著長征系列運載火箭逐步進入國際發射市場及國內發射任務的不斷增加,一種型號運載火箭也將具有多種形狀的衛星整流罩,以滿足不同發射任務的需求。如果按任務來設計衛星整流罩,勢必增加研製周期,提高發射成本。

國外統計資料表明,完全定製的衛星整流罩的費用,大約比標準整流罩的費用高出75%,為此各國正在積極開展衛星(有效載荷)接口標準化,分離通用化以及衛星整流罩標準化和罩內預封裝技術的研究。這不但可以大大降低發射費用,縮短發射準備時間,而且可以提高發射的成功率和可回收性。

90年代,長征系列運載火箭各型號在衛星整流罩設計方面,出現了結構雷同、形狀各異的多品種衛星整流罩,造成人力、物力、財力和研製周期的浪費。開展衛星整流罩的"三化"(系列化,規範化,組合化)設計已成為當務之急。

組成

衛星整流罩一般為蚌殼式(兩半)結構,由端頭、前錐段、圓筒段、倒錐段和縱向及橫向分離機構等組成。

功能

衛星整流罩的功能有:

a) 保護衛星不受氣動力的作用;

b) 保護衛星不受氣動加熱的作用;

c) 解鎖分離系統保證衛星整流罩順利分離;

d) 當運載火箭處于臨射狀態時,可對整流罩內的溫度、濕度進行調節,以保證衛星不受低溫和環境的影響;

e) 保護罩內衛星不受各種煙霧環境的污染。

結構形式

衛星整流罩可以分圓錐-圓筒形和圓錐-圓筒-倒錐形兩種。

按結構形式分

半硬殼式鋁合金鉚接結構

半硬殼式鋁合金鉚接結構是由蒙皮桁條、隔框鉚接而成的半硬殼式結構。美國宇宙神和宇宙神/人馬座運載火箭衛星整流罩就是採用這種結構。歐洲阿裏安號運載火箭衛星整流罩也是半硬殼式結構,其端頭為不銹鋼半球形鼻錐,前錐段用鋁合金加軟木保護層製成,圓筒段由金屬蒙皮和隔框/桁條製成,倒錐段為在兩層凱夫拉纖維壁板間充填環氧樹脂的蜂窩結構,倒錐段內壁為金屬桁條加強結構。

圍觀好奇的人員在觀看衛星整流罩圍觀好奇的人員在觀看衛星整流罩

復合材料夾層結構和鋁合金蜂窩夾芯結構共用的復合結構

根據衛星整流罩部位的不同,採用了多種復合結構,如美國的大力神運載火箭衛星整流罩採用了碳/環氧蒙皮和鋁蜂窩夾芯結構,歐洲阿裏安4採用了碳纖維、玻璃鋼纖維混合增強的環氧復合材料蒙皮和鋁蜂窩夾芯膠接夾層結構。阿裏安5則改為碳纖維增強塑膠蒙皮和鋁蜂窩芯的夾層結構。日本H-2運載火箭衛星整流罩的端頭帽是用鋁合金製成的一體成形件,錐段和筒段均採用了鋁合金蜂窩夾層結構。為了防止氣動加熱的影響,在端頭帽和錐段塗有二氧化矽系的耐熱塗層。

長征3運載火箭衛星整流罩的端頭採用了玻璃鋼結構,前錐段採用了非金屬玻璃鋼蜂窩夾芯結構,筒段為鋁合金蜂窩夾芯結構,而倒錐段則為化銑格線結構。到長征3A時,端頭改用玻璃鋼復合材料,前錐和筒段均為鋁合金蜂窩夾層復合結構,外表面貼軟木防熱。長征2E運載火箭衛星整流罩的端頭為玻璃鋼層壓結構,前錐段為玻璃鋼面板和玻璃鋼夾芯的膠接夾層結構,圓筒段和倒錐段採用鋁合金面板和鋁合金蜂窩夾芯的膠接夾層結構。

按分離方式分

過頂式分離的整體罩結構

衛星整流罩為一整體,分離時整流罩向前推,直到衛星完全脫離。

剝離式分離的蚌式結構

整流罩沿縱向分開成兩半,象一個蚌殼,箍帶或鎖銷、爆炸螺栓和無污染導爆索連線在一起,成為一個受力構件。分離沖量裝置有彈簧、火葯彈射筒、冷氣射流和無污染導爆索。大型衛星整流罩普遍採用這種結構。

設計準則

a) 衛星整流罩外形選擇要使抖振載荷和迎面阻力達到最小。頭部半錐角一般取15°≤θ≤25°,端頭半徑r與罩的最大直徑D之比應在0.3≤2r/D≤0.7範圍內。倒錐角δ的選取要考慮下面3個因素:1) 火箭的靜穩定度下降;2) 抖振載荷是否增大;3) 附面層分離的可能性。

b) 整流罩要有良好的無線電波穿透性。為了滿足有效載荷與地面站之間通信聯系和遙測的需要,要專門設計透過無線電波的倒錐段。而在圓筒段上可以開無線電波視窗。

c) 要有相當大的有效空間(凈空間)。整流罩內有效空間容積為35~40立方米,凈空間過小會發生機械卡死使分離失敗。

d) 整流罩上要開若幹個視窗。為了便于對各種儀器進行檢修和更換,要開若幹個操作視窗,如衛星與地面設備相連的脫落插頭插口。此外,還要開若幹個放氣孔,以保證在飛行過程中泄放罩內氣體,使罩內氣壓與罩外氣壓保持平衡,以免在飛行過程中罩內過壓導致結構破壞。

e) 整流罩結構的輕量化。雖然衛星整流罩在飛出大氣層(大約100~140 km上空)後被拋掉,但減輕整流罩的結構重量仍然是十分重要的。復合材料蜂窩結構和鋁蜂窩夾芯結構比半硬殼式結構輕約30%。考慮到玻璃鋼結構重量比常規鋁蜂窩夾層結構和半硬殼式結構重,在不要求全向透波時,盡量少用玻璃鋼結構。

北鬥二號衛星整流罩殘骸墜落北鬥二號衛星整流罩殘骸墜落

f) 整流罩防熱及降噪設計。根據環境條件要求,整流罩內溫度和聲載環境要進行控製。質子號運載火箭衛星整流罩射前罩內溫度控製在14~26.7℃,最大濕度50%,分離前最高溫度為33℃,最大聲載130 dB。宇宙號罩內最高溫度可達180℃,最大聲載140 dB。H-2罩內壁熱輻射500 W/m2,聲載141 dB。CZ-3罩內溫度≤70℃,罩內壁溫度≯300℃,聲載約148 dB。為此,在整流罩結構設計時,要採取防熱和降噪措施。

g) 整流罩的吊裝和運輸。隨著運載能力的不斷提高,衛星整流罩的結構尺寸由過去的罩長2.4 m增加到13.3 m。罩徑由1 m增加到5.5 m,這對產品的吊裝和運輸帶來諸多的不便。為此在結構設計時均採用了分瓣運輸,整體吊裝方案。長征2E衛星整流罩就採用了四瓣運輸,兩兩對接組合成兩半罩再組合吊裝。

分離系統

分離系統的功能是當運載火箭飛出大氣層後,衛星整流罩的作用已完成,就將其從運載火箭上分離出去,並且使整流罩與衛星和運載火箭之間有足夠的分離距離。分離系統包括縱向分離系統和橫向分離系統。當兩套系統引爆時,幾乎同時分離(僅差0.1 s),完成拋罩任務。

最新報道

2013年12月9日下午13時許,禾源鎮三溪村太平組村民葉九生在"梓樹坑"山上砍柴時,發現墜落的"資源一號03星"整流罩殘骸,回家後,立即向政府報告。當地組織民兵應急小分隊趕往現場,進行保護。"資源一號03星"整流罩殘骸長4.9米,寬4.2米。因整流罩殘骸墜落在山中,沒有造成人員傷亡。這是當月整流罩殘骸第二次墜落遂川縣境內。

2013年12月21日,江西遂川,零時42分,中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,將玻利維亞通信衛星順利發射升空,火箭整流罩墜落在江西遂川縣山區南江鄉樟溪村。

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