整流罩

整流罩是一种用于保护卫星及其它有效载荷的设备，以防止卫星受到气动力、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。自从1957年，前苏联通过运载火箭将第一颗人造卫星送入太空后，世界上多个国家就开始了整流罩技术的发展。如今整流罩根据质量、直径和长度等因素分为大中小三型，还可以根据外形分为一体式和多瓣式。整流罩由端头帽、前锥段、圆筒段和铰[jiǎo]链系统组成。 整流罩的设计和制造需要考虑多种因素，如载荷的大小和形状、运载火箭的特性以及环境条件等。整流罩具有保护卫星、利于分离、调节温度、免受污染等功能，组成材料则包括为整流罩提供气动外形的面板材料，以及起支撑作用的夹层材料，分离方式分别为整体轴向分离、侧向平推分离和侧向旋转分离。2020年10月12日，中国长三乙火箭整流罩顶部构成材料进行了更新，换上了可全透波的新型材料，并成功完成了测试。 2021年7月19日，中国首次完成火箭整流罩带伞降落试验，这标志着中国在整流罩技术方面取得了重要进展。

历史沿革

整流罩是运载火箭的重要组成部分，它的设计是为了保护卫星及其它有效载荷，防止卫星受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。整流罩是运载火箭中不可或缺的组成部分，它的发展与运载火箭的发展密不可分。自从 1957 年前苏联通过运载火发射了第一颗人造卫星以来，整流罩的研发及应用就伴随着运载火箭获得了长足发展。在后续阶段，美国、俄罗斯、中国、欧洲以及日本等国家在航天领域上都经历了不同程度的发展过程，各国也都相应研制出了性能优良的运载火箭。虽然整流罩结构材料各国不尽相同，但随着技术发展，各国都在尝试采用轻质复合材料以减轻整流罩重量。

功能与分类

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。f)有一定的类似于逃逸塔的作用。

分类

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。就运载能力而言，各国对运载火箭都划分为小型、中型、大型和重型４类，而根据运载火箭的大小，整流罩则分为小中大三种型号。基本特点如下表：

整流罩各型号的基本数据

整流罩外形不固定，但主要可分为两大类:一体式和多瓣式。一体式整流罩常用于小型运载火箭。多瓣式整流罩，尤其是两瓣式整流罩对于大、中型火箭应用较多，包含直线锥段型、曲面锥段型、冯·卡门曲线锥段等多种结构形式。

技术特点

设计准则

一、卫星整流罩外形设计要使抖振载荷和迎面阻力达到最小。二、整流罩要有良好的无线电波穿透性，来满足有效载荷与地面站之间通信联系和遥测的需要。三、为避免净空间过小导致机械卡死，从而影响整流罩的成功分离，整流罩要设计出相当大的有效空间（净空间）。四、为了便于对各种仪器进行检修和更换，在整流罩上要留出若干个操作窗口。同时还要设计若干个放气孔，以保证在飞行过程中罩内与罩外气压保持平衡。五、考虑到运载火箭的载力和航天任务的成本，整流罩结构需要注重轻量化。六、整流罩需要配备防热和降噪设计，以保证内部人员和设备的安全。七、最后，还应该考虑到整流罩的吊装和运输。随着火箭运载能力的不断提高，整流罩的体积和质量也在不断扩大，这给吊装和运输带来了不小的挑战。因此在结构设计时应采用分瓣运输和整体吊装的方案。

组成材料

整流罩材料包括无机材料和有机材料，成型工艺包括真空袋法、模压法、浇灌法等。运载火箭整流罩一般为面板蜂窝夹层复合结构，是蒙皮与蜂窝芯材通过胶膜组成的层状复合结构。面板蜂窝夹层复合结构具有质量轻，比强度高、平面度高、隔音、降噪、减震、工艺性强和可设计性强等优势。整流罩的复合结构包括面板和蜂窝夹芯两部分，面板一般为纤维复合材料，具有抗冲击性强、耐腐蚀性强和耐热性能优异的特点;蜂窝夹层目前先进复合材料常采用玻璃钢蜂窝、铝蜂窝、Nomex 纸蜂窝、泡沫蜂窝等，具有低导热系数，力学性能优异等特点，满足整流罩隔热要求。

面板材料

面板结构为整流罩提供气动外形，面板材料为树脂基纤维复合材料，由基体材料和增强材料组成。树脂基纤维复合材料质量轻、强度高、耐高温，具有可设计性强的特点，可在较宽范围内实现透波功能，是整流罩的理想材料。

纤维材料

树脂基纤维复合材料具有比强度大、比模量高的优点，国内外常用作整流罩面板的高性能增强材料包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等，碳纤维具有许多优良性能，轴向强度和模量高，密度低，无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，有良好的导电性能和电磁屏蔽性能。已在航空航天领域大量应用，玻璃纤维是透波整流罩皮最常用的增强材料，具有强度高、介电性能优异、吸湿性小以及尺寸稳定等优点。石英玻璃纤维是所有玻璃纤维中介电性能最好的，其介电性能在较宽的频带范围内基本不变化，可实现整流罩的宽频透波性，且石英纤维高温下透波性能优异，目前国外先进整流望大多已采用石英纤维作为增强材料四，芳纶纤维是一种高科技特种纤维，具有高强度和高模量，优异的耐热性能和阻燃性能，应用于航天航空领域，如芳纶防弹衣，头盔等，但芳纶纤维易吸潮这一特性影响介电性能，限制了其在透波整流罩领域的应用。

树脂材料

整流罩一般采用高性能热固性树脂作为面板基体材料，包括环氧树脂( EP)、双马来酰[xiān]亚胺树脂( BMI) 和氰酸脂树脂( CE) 等 。常用的树材料为环氧树脂，环氧树脂热力学性能优异、工艺性强、电气性能优良，一直是复合材料树脂基体的主体，环氧树脂的缺点是耐冲击损伤能力差，在湿热环境下力学性能下降明显，近年来，研究人员一直致力于向环氧体系中加入柔性基团改善环氧树脂的韧性并提高耐热性 。双马来酰亚胺( BMI) 脂作为芳香族聚酰亚胺材料，县有优异的耐高低温、高强高模、低热膨胀系数、低介电常数与损耗、低真空挥发份、低挥发可凝物等优点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点，广泛用于航空航天领域，但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大“,以氰酸萌树脂( CE) 是二十世纪八十年代开发的一类新型树脂，具有低介电、耐高温、耐湿热等优点，主要用于高性能印刷电路板和高性能透波结构材料，其缺点是固化后脆性较大，韧性较差网为增加树脂体系韧性，BMI 和 CE 一般使用增切切改性后混合树脂体系作为复合材料结构基体，改性后的 BMI和 CE 树脂体系在保证优良耐湿热性能和介电性能的同时，可提高结构的抗冲击强度。

夹层材料

整流罩夹层结构对面板材料起着支撑作用，其性能参数很大程度上影响卫星整流罩透波段的力学性能。夹芯材料应满足以下要求:低密度、平压模量高、剪切模量高、弯曲强度高和介电性能优异等，满足上述要求的整流置夹层材料主要有以下四种:玻璃钢蜂窝、铝蜂窝、Nomex 纸蜂窝和 PMI聚甲基丙烯酰亚胺) 泡沫蜂窝。玻璃钢蜂窝减重效果不明显且力学性能较差在航空领域已逐渐被 Nomex 纸蜂窝和 PMI 泡沫蜂窝代替; 铝蜂窝和碳纤维面板结合会引起电化学腐蚀，不满足航天器苛刻环境下对于复合材料的耐腐蚀要求; Nowmex 纸蜂窝由芳纶浸溃酚醛树脂制成Nommex 蜂窝和碳纤维面板结合，不会引起电化学腐蚀，剪切模量大于 PMI 硬质泡沫，成本较低、工艺性良好，大量应用于机身、连接件等部位，在航空航天领域应用广泛;PMI 泡沫夹层结构在很多力学性能上优于其他蜂窝夹层结构，是一种高刚性硬质结构，抗拉强度达 0.5MPa 以上，使用密度低于100kg/㎡，热变形温度可达 240℃，与 EP、BMICE 等热固性树脂具有良好的界面粘结强度，作为夹层结构不易与面板界面脱粘，且 PMI 结构透波性能良好，作为整流罩结构材料，在满足载荷条件的同时可实现宽频透波，国外已大量应用在整流罩上，国内多用于民用飞机的结构部件，新一代运载火箭长三甲系列运载火箭整流望前锥采用了国产的 PMI 夹层结构，降低了卫星发射成本，应用前景广阔。

整流罩的组装

根据卫星整流罩部位的不同，采用了多种复合结构，如美国的大力神运载火箭（“大力神”系列运载火箭由洲际弹道导弹“大力神2”发展而来，包括“大力神2”、“大力神3”、“大力神34”、“大力神4”、“商业大力神3”子系列火箭）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（阿里安4火箭隶属欧洲著名的阿里安运载火箭家族，曾以成熟可靠的发射能力，在国际商业发射市场上取得成功。）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（阿里安5火箭是阿里安4的继任者，它的芯级使用高性能的“火神”大推力液氧液氢发动机，同时采用大推力固体助推器，兼顾了固体大推力和氢氧高比冲的优势。该型火箭的地球同步转移轨道运载能力超过10吨，近地轨道运载能力超过20吨，成为近20年来国际商业发射市场上的主力运载火箭之一。）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（H-2是当前日本液体火箭的主力系列，主要包括H-2A和的H-2B）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。长征3运载火箭（长征三号由中国运载火箭技术研究院研制，是在长征二号丙的基础上，增加2.25米直径氢氧三子级形成的三级液体火箭，主要用于发射地球同步轨道有效载荷，目前该火箭已退役）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。到长征3A时，（长征3A由中国运载火箭技术研究院研制，是将长征三号氢氧三子级替换为3米直径、采用两台8吨氢氧发动机的氢氧三子级，具备了大姿态调姿能力，任务适应能力更强。主要用于发射地球同步转移轨道有效载荷，也可以运载低轨道、极地轨道或逃逸轨道的有效载荷。长征三号甲自1994年2月8日首次发射成功以来，至今发射成功率为100%。2007年6月被中国航天科技集团公司授予“金牌火箭”称号。）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。长征2E运载火箭（长征2E由中国运载火箭技术研究院抓总研制，是中国第一型捆绑式运载火箭，目前已退役）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。

结构

整流罩为对称结构，主要部段包括端头帽、前锥段、圆筒段和铰链系统。端头帽形状为一球缺体，通常材料为玻璃钢。端头帽底面的直径较小，相对全罩而言，小尺寸的端头帽起到保持良好气动外形和罩内封闭状态的作用。整流罩前锥段位于端头帽下方，是一曲面回转体，是整流罩中用于减小空气阻力的主要部段。整流罩的圆筒段位于前锥段下方，圆筒段的截面直径处处相同，且直径大小是整流罩的最大直径，因此火箭的有效载荷一般分布在此部段内，即圆筒段是有效载荷的实际保护部段。

即将合罩的整流罩

整流罩铰链系统是控制整流罩解锁定位和分离轨迹的重要组件，每个半罩各两组，沿整流罩中线下端对称布置，每组铰链系统均包含铰链支座和铰链摆臂，铰链支座主要结构为铰链支座滑槽和铰链支座销轴，而铰链摆臂主要结构为铰链摆臂销轴和铰链摆臂U型凹槽。铰链支座是由一个铰链支座销轴连接两个方形厚板组成，厚板上开有一个滑槽，滑槽轨迹呈不规则开口形状，在铰链支座滑槽的封闭一端是一个半圆弧。而铰链摆臂是由两块平板和两个铰链摆臂销轴组成，两块平板的位形呈一定角度的摆臂状，铰链摆臂销轴的形状为同轴相接的两个不同直径的圆柱体。在铰链摆臂的底端开有一个U型凹槽，铰链摆槽的开口大小略大于铰链支座销轴直径。由铰链系统的装配可知，铰链摆臂销轴中心轴与铰链支座滑槽的半圆弧中心轴重合，而铰链摆臂销轴与铰链支座滑槽上下表面间设计具有一定的间隙量。

分离系统

分离系统主要位于整流罩的圆筒段，该系统的主要功能结构为预压缩弹簧。该弹簧上端固定于后柱段内壳面的弹簧支座上，下端与箭体上的有效载荷支架保持自由接触状态。弹簧在解锁、分离前处于压缩状态。在整流罩横向解锁的爆炸螺栓起爆后，弹簧储存的弹性势能开始释放，弹簧长度也随之渐渐恢复，再待分离能源装置与支撑板不再接触后，弹簧弹性势能释放完毕，弹簧不再给整流罩提供分离动力，开始随着整流罩一起运动。当运载火箭飞出大气层后，卫星整流罩功成身退。分离系统就将其从运载火箭上分离出去，并且保证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，完成抛罩任务。具体的分离方案则包括平推分离方案，旋转分离方案，以及平移-翻转分离方案。

分离方式

整流罩在分离方式上也有不同的分类，整体轴向分离、侧向平推分离和侧向旋转分离（简称旋转分离)，整体轴向分离方式针对于小型运载火箭的一体式整流罩，侧向平推分离方式在美欧等国常被采用，如美国的德尔它系列运载火箭和欧空局的阿里安系列运载火箭，而中国的长征系列运载火箭普遍采用旋转分离方式。

发展现状

国内发展

天宫一号于2011年9月29日发射升空，是中国当时全新研制的首个目标飞行器。发射天宫一号目标飞行器的长征二号FT1火箭的整流罩头部，首次采用了冯·卡门曲线。2016年，由中国运载火箭技术研究院抓总研制的长征五号运载火箭长征五号首飞，据“长五”火箭箭体结构副主任设计师戴政介绍，“长五”火箭是国内第一型采用大型“全透波结构”整流罩的火箭。相对于传统火箭整流罩的“小天窗”，“长五”火箭的整流罩可谓是一个“全景式天窗”，可满足任何卫星的通信要求。“‘长五”’火箭的整流罩攻克技术难关采用了一种新型的透波材料，这个突破不仅大大缩短了火箭的生产周期，更使中国成为国际上少数几个能研制出大型“全透波结构”整流罩的国家之一。2020年6月，中国火箭院702所联合北京理工大学共同研制了一款名叫“亥姆霍兹共鸣器”的消音器，这项发明将应用于新一代载人火箭，让整流罩内的噪声减少6-8个分贝。2020年10月12日，中国西昌卫星发射中心长三乙火箭成功发射高分十三号卫星。长三乙火箭整流罩顶部构成材料进行了更新，换上了可全透波的新型材料，相当于给卫星开一个“360度全景天窗”，地面侧控站可持续对卫星进行测控，大大提升了卫星的使用性能。

中国长三乙火箭

2021年7月19日中国通过一次发射任务，搭载完成了整流罩落区控制技术试验，攻破了整流罩再入大气层过程结构解体难题，首次实现中国运载火箭整流罩带伞降落，为后续达成整流罩落区精确控制奠定了坚实基础。据悉，中国四个火箭发射场中有三个都在内陆地区，运载火箭残骸不可避免会落到陆地上。随着经济不断发展，火箭残骸落区已经从人口稀少地区发展为人口和生产生活设施较为密集的地区，增大了每次火箭发射时的残骸落区人员疏散压力和残骸对地面设施的破坏风险。加之近年来中国航天发射呈现出的高密度态势，火箭残骸落区安全性和疏散保障问题亟待解决，迫切需要研究运载火箭残骸落区精确控制技术。这次成功试验的技术是在整流罩内加装伞控电气系统和降落伞系统，通过这两个系统控制整流罩残骸定点着陆在安全区域。据了解，这项技术完善和成熟之后，可以将整流罩原有落区面积缩小80%以上，大幅提升落区安全性，极大地缓解落区疏散压力。

整流罩回收

2022年3月，作为中国首个国内最大尺寸的全透波复合材料整流罩实现首飞。长六改整流罩包括了两件高度近4米的冯·卡门段罩体、两件高度5米左右的半筒段罩体。在研制生产过程中，中国航天科技集团有限公司八院149厂会同拥有专业复合材料研发能力的上海复合材料科技有限公司，开展了多项关键制造技术攻关，分别从工装设计与仿真、固化过程热变形分析、蜂窝定型技术、材料及固化工艺等方面进行研究，研制出了蜂窝夹层结构的罩体、玻璃纤维布增强树脂基复合材料的蒙皮、芳纶纸蜂窝的夹芯，再配合金属机构边框，实现了“3+1”的大尺寸玻璃纤维复合材料夹层与金属边框共固化一体成型技术。2023年11月1日，长征六号改运载火箭在太原卫星发射中心升空，随后将天绘五号卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。2021年8月6日0时30分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将中星2E卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。该火箭采用全透波整流罩，不用根据每一颗卫星的特殊需求在整流罩上开口、填充透波材料。全透波整流罩的使用，不仅使整流罩生产周期减少7天，而且进一步提高了火箭的任务适应性。2023年5月30日，长征二号F运载火箭整流罩首次使用机械锁式机构，将神舟十六号载人飞船成功送入太空。

国外发展

在运载火箭整流罩材料设计和制造方面以美国的技术最为先进，上世纪 70 年代美国研制出 Duroid5870 复合材料，同时还完成了整流罩热加载、高温电性能、烧蚀和抗雨蚀等试验，并研制了用于电性能测试的整流罩自动测试设备 目前，耐高温有机树脂基复合材料( HTPMCS) 体系中，美国研发的 PI 树脂 ( PMR-15 与 PMR-50) 已成为航天工业的基础材料，大大推动 PI 复合材料在大型结构部件中的应用并降低成本。石英纤维的优异介电性能，易于实现宽频透波，国外运载火箭整流罩大多已选用由石英纤维复合材料制备，美国已研制出石英纤维增强 PI 树脂复合材料整流罩结构，使用温度高于 538℃。俄罗斯拥有的世界领先水平的复合材料制备技术，在研制应用先进耐高温材料的同时，发展了适用于宽频带整流罩和电磁/红外双模整流罩的新型复合材料，同时加强对整流罩的加工和制造技术研究，着重关注整流罩的结构设计和电气性能的设计即。俄罗斯发展的改性酚酸树脂的工艺性能和透波性能均达到非常高的水平，其最高使用温度达到 600℃，已在宽频整流罩上得到成功应用。

参考资料

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