除了“冰箭”“大火箭“,长征五号火箭因为个高身壮还被大家亲切地称呼为“胖五”。“胖五”身高约57米,最粗的腰身达到5米,近地轨道的运载能力高达25吨。可是,很多人没有想到的是,这样一个十足的“大胖子”加“大力士”的壳体却“薄如蝉翼”。
火箭壳体到底由什么材料制成?为什么要这么薄?如何保证火箭的坚固性?带着这些问题,记者采访了相关专家。
火箭外壳的专业术语叫做“蒙皮”,“蒙皮”的主要材料为铝合金,强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低,其中重量轻尤其重要,可以为火箭减轻重量,蒙皮薄了,节约了重量和空间,就可以装更多的燃料,“举”起更重的卫星。所以,长征五号运载火箭尽管“肥硕”,可它的整流罩的“蒙皮”面板厚度最薄处只有0.3毫米,相同刚度下,火箭壳段的重量减少了10%以上。
这么薄能保证火箭的坚固性吗?原来,航天科技集团中国运载火箭技术研究院的设计人员在设计时,会在“蒙皮”内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱形的框架,把框架和蒙皮铆接在一起,这就组成了火箭的一个壳段。
航天科技集团中国运载火箭技术研究院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,每一个壳段上游上千个铆钉,这样就保证了整体结构的强度和刚度”。这样的设计,能够确保发射过程中,无论受到哪个方向的外力,都不会影响火箭的飞行。
不过,可不要以为“蒙皮”越薄越好,因为如果“蒙皮”过薄,就要靠不断加密内部框架来保证坚固性,反而会使壳体整体重量增加,达不到预期效果。所以,如何计算好“配比”就是大学问了。箭体结构设计人员李操解释说,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。
为了达到这个目标,技术人员研制出了一套独特的计算方法。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、数量和分布作为优化参数,从中寻找最优化的壳段结构形式。李操告诉记者:“在满足箭体刚度和硬度的前提下,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,又能让火箭飞行地更完美”。(光明网记者 宋雅娟)
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