CN114718763B - 液体运载火箭及其推进剂贮箱 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种液体运载火箭及其推进剂贮箱，该推进剂贮箱包括箱底组件，箱底组件包括底部、主体段和连接段，主体段的形状包括两端开口的圆锥形，主体段的位于圆锥形底部的端口与连接段连接，主体段的位于圆锥形顶部的端口与底部连接；底部用于与火箭发动机连接；底部与主体段在连接处曲率相同，主体段和连接段在连接处曲率相同。本申请的箱底组件能够同时承载推进剂贮箱的内压载荷和火箭发动机的推力载荷，且能够避免应力集中而导致箱底组件的底部出现破损或者凹陷的情况，利于均衡火箭发动机的推力。
Description
技术领域
本申请涉及液体运载火箭技术领域，具体而言，本申请涉及一种液体运载火箭及其推进剂贮箱。
背景技术
液体火箭主要用作航天运载工具和导弹核武器的推进部分，液体运载火箭的推进剂贮箱是液体运载火箭的主要组成部分，推进剂贮箱用于存贮推进剂，向火箭发动机输送液态燃料和氧化剂，并要承受飞行中的各种静载荷、动载荷和热载荷，以及也会在推进剂贮箱的箱底安装一些设备。
然而，目前的液体运载火箭的推进剂贮箱的箱底容易出现破损或者凹陷。
发明内容
本申请针对现有方式的缺点，提出一种液体运载火箭及其推进剂贮箱，用以解决现有液体运载火箭的推进剂贮箱的箱底容易出现破损或者凹陷的技术问题。
第一个方面，本申请实施例提供了一种液体运载火箭的推进剂贮箱，包括箱底组件；所述箱底组件包括底部、主体段和连接段，所述主体段的形状包括两端开口的圆锥形，所述主体段的位于圆锥形底部的端口与所述连接段连接，所述主体段的位于圆锥形顶部的端口与所述底部连接；所述底部用于与火箭发动机连接；
所述底部与所述主体段在连接处曲率相同，所述主体段和所述连接段在连接处曲率相同。
可选地，推进剂贮箱还包括多个安装凸台，各所述安装凸台均匀分布设置在所述底部上；
所述安装凸台包括安装面，用于与所述火箭发动机连接，各所述安装凸台的安装面排布在圆环区域内。
可选地，所述火箭发动机的推力与所述安装凸台的安装面的面积总和的关系式为：F/S1=σ，σ<20Mpa，且S1> S2/3；
其中，F为所述火箭发动机的推力，S1为所述安装面的面积总和，S2为所述圆环区域的面积，σ为所述安装凸台的安装面的平均应力。
可选地，在所述主体段的轴线所在面中，所述主体段的半锥角不小于30°，且不大于70°。
可选地，所述底部包括输送口，用于与输送管连接，所述输送口设置在所述圆环区域内侧。
可选地，所述底部的形状包括一端开口的第一椭球底形，所述连接段的形状包括两端开口的第二椭球形。
可选地，所述推进剂贮箱包括下述至少一项：
所述底部所在的第一椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于5；
所述连接段所在的第二椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于2；
所述主体段包括多个主体子部，各所述主体子部依次连接，或所述主体段为一体成型；
所述连接段包括多个连接子部，各所述连接子部依次连接，或所述连接段为一体成型。
第二个方面，本申请实施例提供了一种液体运载火箭，包括火箭发动机、机架和第一方面所述的推进剂贮箱；
所述机架的第一端与所述火箭发动机的常平座连接，所述机架的第二端与所述推进剂贮箱的安装凸台连接，所述第一端的直径小于第二端的直径。
可选地，所述火箭发动机包括摇摆火箭发动机。
可选地，所述液体运载火箭还包括输送管，所述输送管通过所述推进剂贮箱的输送口与所述火箭发动机连接；所述输送管包括摇摆软管。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果包括：
本申请中箱底组件的主体段的形状包括两端开口的圆锥形，通过主体段的圆锥形的结构设计，能够利于传递火箭发动机的推力。底部与主体段在连接处曲率相同，主体段和连接段在连接处曲率相同，能够同时承载推进剂贮箱的内压载荷和火箭发动机的推力载荷，且能够传导并分散推力载荷对应的应力，避免应力集中而导致主体段出现破损或者凹陷的情况，有利于箱底组件和推进剂贮箱均衡分担火箭发动机的推力。而且本申请不需额外在箱底组件上设置加强骨架结构，结构简化，重量较轻，有利于增强液体运载火箭的运载力，此推送剂贮箱的结构简单易加工，降低加工难度，利于缩短加工周期和降低成本。
以及，本申请的底部用于与火箭发动机连接，替代了现有技术中火箭发动机与后短壳连接的方式，因底部的直径比后短壳的直径要小很多，则有效地减小连接底部与火箭发动机的机架的体积和重量，进而利于减小液体运载火箭的高度和重量，能够利于降低控制液体运载火箭的姿态难度，以及能够提高液体运载火箭的运载能力。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提供的一种箱底组件的底部朝上的立体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种底部的俯视结构示意图；
图3为图1中A-A截面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种液体运载火箭的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种推进剂贮箱的箱底组件与机架的配合立体结构示意图。
附图标记：
1-箱底组件；11-底部；111-输送口；12-主体段；121-主体子部；13-连接段；131-连接子部；14-安装凸台；141-安装面；15-圆环区域；
2-液体运载火箭；21-火箭发动机；211-常平座；212-输送管；22-机架；23-后短壳。
具体实施方式
下面结合本申请中的附图描述本申请的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本申请实施例的技术方案的示例性描述，对本申请实施例的技术方案不构成限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除实现为本技术领域所支持其他特征、信息、数据、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合等。这里使用的术语“和/或”指该术语所限定的项目中的至少一个，例如“A和/或B”可以实现为“A”，或者实现为“B”，或者实现为“A和B”。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请的研发思路包括：目前国内的液体运载火箭中火箭发动机通过机架安装在推进剂贮箱的后短壳或者火箭过渡段上，这样一来液体运载火箭的结构重量较大，且需要的轴向空间较大而导致液体运载火箭的长度较长，输送管也较长，从而影响火箭的飞行控制和火箭级间分离；以及机架安装于后短壳上，因后短壳直径较大，因此与之对接的机架一般较大，重量较大，影响火箭运力。
推进剂贮箱用于存贮液态燃料和氧化剂，也会在推进剂贮箱的箱底安装一些设备，这些设备会对箱底产生局部的集中载荷，从而因局部应力过大而导致箱底破损或者凹陷，目前的解决方法是在箱底加工出加强骨架结构，但在箱底安装加强骨架结构时需要将20毫米以上厚度的铝板先进行旋压或者拉伸成型，再使用大型四轴或者五轴数控机床进行铣削加工，目前的推进剂贮箱的箱底直径在3米左右，将厚度为20毫米以上的铝板在直径3米的箱底进行旋压、拉伸成型的工艺难以实现，且使用大型四轴或者五轴数控机床对箱底整体进行加工，会有成本高且周期长的问题。
综上所述，目前液体火箭发动机主要通过大型机架安装于推进剂贮箱的后短壳或火箭其他舱段上，存在机架尺寸大、质量大、安装结构复杂的问题。将火箭发动机通过小机架安装于贮箱箱底可以有效的解决上述问题。
本申请提供的一种液体运载火箭及其推进剂贮箱，旨在解决现有技术的如上技术问题。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。
本申请实施例提供了一种液体运载火箭2的推进剂贮箱，包括箱底组件1，该箱底组件1的结构示意图如图1至图3所示，包括：底部11、主体段12和连接段13。
主体段12的形状包括两端开口的圆锥形，主体段12的位于圆锥形底部11的端口与连接段13连接，主体段12的位于圆锥形顶部的端口与底部11连接；底部11用于与火箭发动机21连接。
底部11与主体段12的连接处曲率相同，主体段12和连接段13的连接处曲率相同。
本实施例中，箱底组件1的主体段12的形状包括两端开口的圆锥形，通过主体段12的圆锥形的结构设计，能够利于传递火箭发动机21的推力。底部11与主体段12的连接处曲率相同，主体段12和连接段13的连接处曲率相同，替代了现有技术中椭球型的结构的设计，能够同时承载推进剂贮箱的内压载荷和火箭发动机21的推力载荷，且能够传导并分散推力载荷对应的应力，避免应力集中而导致主体段12出现破损或者凹陷的情况，有利于箱底组件1和推进剂贮箱均衡分担火箭发动机21的推力。而且本申请不需额外在箱底组件1上设置加强骨架结构，结构简化，重量较轻，有利于增强液体运载火箭2的运载力，此推送剂贮箱的结构简单易加工，降低加工难度，利于缩短加工周期和降低成本。
以及，本申请的底部11用于与火箭发动机21连接，替代了现有技术中火箭发动机21与后短壳连接的方式，因底部11的直径比后短壳的直径要小很多，则有效地减小连接底部11与火箭发动机21的机架22的体积和重量，进而利于减小液体运载火箭2的高度和重量，能够利于降低控制液体运载火箭2的姿态难度，以及能够提高液体运载火箭2的运载能力。因本申请的机架22的体积减小，能够利于降低制备机架22的工艺难度，进而利于降低成本。
可选地，箱底组件1还包括多个安装凸台14，各安装凸台14均匀分布设置在底部11上；安装凸台14包括安装面141，用于与火箭发动机21连接，各安装凸台14的安装面141排布在圆环区域15内。
本实施例中，安装凸台14设置在底部11上并靠近主体段12，利于底部11向主体段12传送火箭发动机21的推力。本申请的安装凸台14的数量在此不作任何限定，可根据实际要求设置，例如本实施例中采用16个安装凸台14均匀分布设置在底部11上。以及本申请的各安装面141排布在圆环区域15内，圆环区域15的内径以及安装凸台14的安装面141的总面积由火箭发动机21的推力决定的。
可选地，各安装凸台14的安装面141可以均匀排布在圆环区域15内。
需要说明的是，安装凸台14与火箭发动机21的连接方式可根据实际情况具体选择，比如通过螺栓可拆卸连接、螺钉固定或者滑槽与滑块配合固定。
可选地，各安装凸台14的安装面141的总面积约为圆环区域15面积的一半，利于保证单个的安装凸台14所承受的火箭发动机21推力适中，且利于保证安装凸台14与火箭发动机21的连接稳固性能，且不至于因安装面141的总面积过小而导致单个的安装凸台14的受力较大，使得安装凸台14处的底部11凹陷或损坏。
可选地，火箭发动机21的推力与各安装凸台14的安装面141的面积总和的关系式为：F/S1=σ，σ<20Mpa，且S1> S2/3；
其中，F为火箭发动机21的推力，S1为各安装凸台14的安装面141的面积总和，S2为圆环区域15的面积，σ为安装凸台14的安装面141的平均应力。
本实施例中，通过火箭发动机21的推力与安装凸台14的安装面141的面积总和的关系式，能够利于避免应力集中作用在底部11，利于将火箭发动机21的推力均匀传递至底部11。
可选地，在主体段12的轴线所在面中，主体段12的半锥角不小于30°，且不大于70°。
本实施例中，主体段12的半锥角不小于30°，且不大于70°，半锥角在这个范围内能够利于传递火箭发动机21的推力，且在不增加额外的加强骨架结构的同时，能够承载推进剂贮箱的内压载荷和火箭发动机21的推力载荷，且能够避免应力集中而导致主体段12出现破损或者凹陷的情况。
可选地，底部11包括输送口111，用于与输送管212连接，输送口111设置在圆环区域15内。
本实施例中，推进剂贮箱内的推进剂通过输送口111向火箭发动机21输送，因输送口111设置在圆环区域15内，能够利于缩短推进剂的输送距离，能够缩短反应时间。
可选地，底部11的形状包括一端开口的第一椭球底形，连接段13的形状包括两端开口的第二椭球形。
本实施例中，底部11的形状包括第一椭球底形，则底部11可以更扁，利于缩短底部11的高度，进而缩短液体运载火箭2的高度，提高运载力；连接段13的形状为第二椭球形，利于与主体段12进行适配和连接。
可选地，底部11的位于椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于5。
本实施例中，底部11所在的第一椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于5，使得底部11的轴线长度更短，底部11更扁，利于降低底部11的高度，进而利于降低推进剂贮箱的高度，进一步利于缩短液体运载火箭2的长度，利于控制液体运载火箭2的飞行和液体运载火箭2的级间分离。
可选地，连接段13所在的第二椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于2。
本实施例中，连接段13所在的第二椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于2，利于保证连接段13的高度较低，起到连接的作用。
可选地，主体段12包括多个主体子部121，各主体子部121依次连接，或主体段12为一体成型。
本实施例中，主体段12可以由多个主体子部121依次连接而成，利于主体段12的运输、搬运和安装，比如图1所示，主体段12由三个主体子部121组成，具体主体子部121的数量可根据实际情况设定。或者，主体段12可以为一体成型，利于加工成型。
可选地，连接段13包括多个连接子部131，各连接子部131依次连接，或连接段13为一体成型。
本实施例中，连接段13可以由多个连接子部131依次连接而成，利于连接段13的运输、搬运和安装，比如图1所示，连接段13由六个连接子部131组成，具体连接子部131的数量可根据实际情况设定。或者，连接段13可以为一体成型，利于加工成型。
基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种液体运载火箭2，该液体运载火箭2的结构示意图如图4至图5所示，包括：火箭发动机21、机架22和上述实施例提供的推进剂贮箱。
机架22的第一端与火箭发动机21的常平座211连接，机架22的第二端与推进剂贮箱的安装凸台14连接，第一端的直径小于第二端的直径。
本实施例中，火箭发动机21与底部11的安装凸台14连接，替代了现有技术中火箭发动机21与后短壳连接的方式，因底部11的直径比后短壳的直径要小很多，则有效地减小连接底部11与火箭发动机21的机架22的体积和重量，进而利于减小液体运载火箭2的高度和重量，能够利于降低控制液体运载火箭2的姿态难度，以及能够提高液体运载火箭2的运载能力。因本申请的机架22的体积减小，能够利于降低制备机架22的工艺难度，进而利于降低成本。
以及，火箭发动机21对装配精度要求较高，本申请的机架22体积较小，则利于实现机架22与火箭发动机21的高精度装配，且不需要大型机架所用的专用装配工装，利于降低对机架22的装配流程，节省装配时间、节省人力和物力。
可选地，机架22的主体为锥形蒙皮，锥形蒙皮上设有纵向加强筋，机架22能够将火箭发动机21的推动力均匀地传递至箱底组件1的底部11，利于避免应力集中作用在底部11而导致底部11失去稳定性或者损坏。
可选地，火箭发动机21包括摇摆火箭发动机21。
本实施例中，摇摆火箭发动机21可相对于推进剂贮箱进行摆动。
可选地，液体运载火箭2还包括输送管212，输送管212通过推进剂贮箱的输送口111与火箭发动机21连接。
本实施例中，输送管212的一端穿过机架22与输送口111连接，另一端与火箭发动机21连接，输送管212用于由推进剂贮箱向火箭发动机21输送推进剂，推进剂包括燃料和氧化剂。因本申请的机架22的高度缩短，则本申请的输送管212相对于现有的输送管的长度缩短，且本申请的输送管212直接与输送口111连接，利于缩短推进剂的输送路程和利于减少密封面的数量，能够增加液体运载火箭2的推进剂输送过程的可靠性，同时利于降低输送管212的重量，能够增加液体运载火箭2的运载力。
可选地，机架22的锥形蒙皮上设有开口，以供输送管212穿过。
可选地，输送管212包括摇摆软管。
本实施例中，因火箭发动机21通过机架22安装在箱底组件1的安装凸台14上，而不是安装在推进剂的输送口111上，则输送管212可以设计为摇摆软管，即可以随着火箭发动机21一起摆动。
可选地，液体运载火箭2还包括后短壳23，后短壳23套设在推送剂贮箱的箱底的外周。
本实施例中，后短壳23不需要承受火箭发动机21的推动力，能够利于降低后短壳23的重量，以及利于降低对后短壳23的刚度和强度的要求，能够增加液体运载火箭2的运载力。以及后短壳23的高度可根据实际情况设计。
应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：
1.本申请实施例提供的箱底组件的主体段的形状包括两端开口的圆锥形，通过主体段的圆锥形的结构设计，能够利于传递火箭发动机的推力。
2.本申请实施例提供的底部与主体段的连接处曲率相同，主体段和连接段的连接处曲率相同，替代了现有技术中椭球型的结构的设计，能够同时承载推进剂贮箱的内压载荷和火箭发动机的推力载荷，且能够避免应力集中而导致主体段出现破损或者凹陷的情况，利于均衡火箭发动机的推力。
3.本申请实施例提供的底部用于与火箭发动机连接，替代了现有技术中火箭发动机与后短壳连接的方式，因底部的直径比后短壳的直径要小很多，则有效地减小连接底部与火箭发动机的机架的体积和重量，进而利于减小液体运载火箭的高度和重量，能够利于降低控制液体运载火箭的姿态难度，以及能够提高液体运载火箭的运载能力。
4.本申请实施例提供的安装凸台设置在底部上并靠近主体段，利于底部向主体段传送火箭发动机的推力。
本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
在本申请的描述中，词语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系，为基于附图所示的示例性的方向或位置关系，是为了便于描述或简化描述本申请的实施例，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤的实施顺序并不受限于箭头所指示的顺序。除非本文中有明确的说明，否则在本申请实施例的一些实施场景中，各流程中的步骤可以按照需求以其他的顺序执行。而且，各流程图中的部分或全部步骤基于实际的实施场景，可以包括多个子步骤或者多个阶段。这些子步骤或者阶段中的部分或全部可以在同一时刻被执行，也可以在不同的时刻被执行在执行时刻不同的场景下，这些子步骤或者阶段的执行顺序可以根据需求灵活配置，本申请实施例对此不限制。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的方案技术构思的前提下，采用基于本申请技术思想的其他类似实施手段，同样属于本申请实施例的保护范畴。
Claims (10)
1.一种液体运载火箭的推进剂贮箱，其特征在于，包括箱底组件和多个安装凸台；
所述箱底组件包括底部、主体段和连接段，所述主体段的形状包括两端开口的圆锥形，所述主体段的位于圆锥形底部的端口与所述连接段连接，所述主体段的位于圆锥形顶部的端口与所述底部连接，所述底部用于与火箭发动机连接；各所述安装凸台均匀分布设置在所述底部上，所述安装凸台包括安装面，用于与所述火箭发动机连接；
所述底部与所述主体段在连接处曲率相同，所述主体段和所述连接段在连接处曲率相同。
2.根据权利要求1所述的推进剂贮箱，其特征在于，各所述安装凸台的安装面排布在圆环区域内。
3.根据权利要求2所述的推进剂贮箱，其特征在于，所述火箭发动机的推力与各所述安装凸台的安装面的面积总和的关系式为：F/S1=σ，σ<20Mpa，且S1> S2/3；
其中，F为所述火箭发动机的推力，S1为各所述安装凸台的安装面的面积总和，S2为所述圆环区域的面积，σ为所述安装凸台的安装面的平均应力。
4.根据权利要求1所述的推进剂贮箱，其特征在于，在所述主体段的轴线所在面中，所述主体段的半锥角不小于30°且不大于70°。
5.根据权利要求2所述的推进剂贮箱，其特征在于，所述底部包括输送口，用于与输送管连接，所述输送口设置在所述圆环区域的内侧。
6.根据权利要求1所述的推进剂贮箱，其特征在于，所述底部的形状包括一端开口的第一椭球底形，所述连接段的形状包括两端开口的第二椭球形。
7.根据权利要求6所述的推进剂贮箱，其特征在于，包括下述至少一项：
所述底部所在的第一椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于5；
所述连接段所在的第二椭球的长轴与短轴的比值不小于1且不大于2；
所述主体段包括多个主体子部，各所述主体子部依次连接，或所述主体段为一体成型；
所述连接段包括多个连接子部，各所述连接子部依次连接，或所述连接段为一体成型。
8.一种液体运载火箭，其特征在于，包括火箭发动机、机架和权利要求1-7任一所述的推进剂贮箱；
所述机架的第一端与所述火箭发动机的常平座连接，所述机架的第二端与所述推进剂贮箱的安装凸台连接，所述第一端的直径小于第二端的直径。
9.根据权利要求8所述的液体运载火箭，其特征在于，所述火箭发动机包括摇摆火箭发动机。
10.根据权利要求9所述的液体运载火箭，其特征在于，还包括输送管，所述输送管通过所述推进剂贮箱的输送口与所述火箭发动机连接；所述输送管包括摇摆软管。
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