某型液体火箭爆炸模式分析与爆炸当量估算

借鉴美国对运载火箭爆炸模式的分类,结合以往火箭爆炸事故情况,对某型火箭爆炸模式进行分类。根据能量相似原理将推进剂总量换算成TNT炸药当量,对某型火箭在不同爆炸模式下的TNT当量进行估算。介绍了不同组合的液体推进剂爆炸、液体火箭不同失效模式爆炸两种TNT当量系数估算方法,并对不同爆炸模式的TNT当量进行了定量计算。通过计算,得出危害性最大的两种爆炸事故模式:火箭在发射架上发生完全爆炸包括由任一级爆炸并发的殉爆以及火箭在飞行过程中某一时刻发生较为完全的爆炸。

破片飞散仿真SPH方法中的初始粒子间距

为了解光滑粒子流体动力学方法数值模拟结果对初始粒子间距的依赖性,更合理地选取初始粒子间距h,选用AUTODYN软件以战斗部爆炸破片飞散仿真为例开展均匀初始粒子间距以及不均匀粒子间距对影响数值模拟的研究;通过定义无量纲参数λ和γ(λ为战斗部壁厚与初始粒子间距之比,γ为战斗部壳体粒子间距与内部TNT粒子间距之比),对不同粒子间距战斗部模型开展相同初始条件下的数值计算,对比分析爆炸破片的速度和数量特性;结果表明:均匀初始粒子间距的选取对仿真结果的准确性影响很大,为保证模拟精度,h的合理取值范围是6<λ<8;选取不均匀粒子间距时,增加γ值对计算精度提高不明显。

卫星爆炸碎片产生过程与影响因素的数值分析

以典型在轨卫星为分析对象,从材料力学和应力波理论出发,分析爆炸碎片产生的机理,运用ANSYS/LS-DYNA仿真软件,对卫星爆炸碎片产生过程做数值模拟;具体研究了卫星壁厚和剩余推进剂含量两个因素与卫星爆炸产生碎片的数目和速度之间的关系,并与理论推导结果进行对比,验证了数值仿真的可靠性和有效性;结果表明:碎片的产生是随机的,破坏不一定发生在薄弱部位;卫星壁厚和剩余推进剂含量对爆炸产生碎片数目、平均速度增量影响显著。

基于Monte-Carlo方法的爆炸碎片飞散仿真

为合理预测某型液体运载火箭爆炸生成碎片的危害区域,保证地面发射场设施设备及人员的安全,采用Monte-Carlo方法模拟了爆炸碎片的飞散轨迹,分析了碎片初速和火箭爆心高度对碎片散布的影响。结果表明:火箭爆炸碎片初始速度是影响碎片最大飞行距离的重要因素,火箭爆炸碎片的最大飞行距离随着碎片初始速度的增大而增大,但随着碎片初始速度的增大,碎片最大飞行距离的增长幅度慢慢减小;随着爆心高度的不断增加,爆炸碎片飞行距离概率分布曲线的变化程度不大。本文使用美国PYRO项目中的爆炸试验数据,验证了数值仿真的可靠性和爆炸碎片飞散模型的可用性。

地球同步轨道卫星结构爆炸解体碎片的轨道仿真

为快速确定与预报卫星在轨爆炸解体产生的大量空间碎片的轨道,提出了一种基于ANSYS/AUTODYN、MATLAB、STK等多软件平台联合仿真分析卫星结构爆炸解体碎片运行轨道的方法。利用ANSYS/AUTODYN对典型薄壁圆柱模拟地球同步轨道卫星结构进行爆炸数值分析,得到碎片的数量、质量分布和速度特性信息。再利用MATLAB软件对卫星爆炸仿真得到的碎片参数进行处理,将处理后的数据导入到STK软件的通用摄动SGP4模型中,得出卫星爆炸碎片的早期轨道数据。最后对爆炸碎片的轨道分布、速度增量、轨道演化等进行分析。结果表明:该方法能满足大量爆炸碎片的轨道仿真要求,能有效提高碎片轨道信息转换效率,对目前难以跟踪的cm级以下碎片,也能提供相应的初始轨道数据,使用方便,通用性好。研究结果可为快速捕获卫星爆炸碎片,及时规避航天器碰撞风险提供参考。

火箭整流罩抗碎片侵彻能力的数值模拟

为研究火箭整流罩对箭上有效载荷的防护性能,以某型液体运载火箭为分析对象,利用Autodyn软件对火箭爆炸碎片撞击有效载荷整流罩的过程进行了数值模拟,分析了碎片撞击速度和撞击倾角对整流罩抗碎片侵彻能力的影响。数值计算结果表明:碎片的撞击速度和撞击倾角是影响火箭整流罩抗碎片侵彻能力的重要因素,对碎片本身形变也有一定的影响;侵彻时间随碎片撞击速度呈单调递减,当碎片撞击速度较小时,碎片撞击造成的速度损失与撞击速度呈正相关;有效载荷整流罩抗侵彻能力随碎片撞击倾角的增大而增强,侵彻时间随碎片撞击倾角的增大呈单调递增。数值模拟结果与理论计算结果基本吻合,表明该数值计算模型能较好地模拟火箭爆炸碎片撞击有效载荷整流罩的过程。

封闭空间内推进剂扩散的通风优化

对封闭空间内的偏二甲肼与四氧化二氮推进剂泄漏扩散情况进行了数值模拟,扩散中考虑了推进剂间的化学反应,得到了封闭空间中推进剂泄漏的扩散规律。对比分析了3种通风速率、泄漏源相对位置、通风设施布局对于扩散排污的影响。结果表明:通风速率越大,相同时间内推进剂扩散距离越远,通风设施排污效果越好;泄漏源相对位置对于扩散影响较小;在增设排风口的条件下,推进剂扩散区域有所减小,推进剂和高温气体均被有效地排出。

基于VOF模型的偏二甲肼泄漏液池扩展过程的数值模拟

偏二甲肼泄漏后沿存储容器外壁面扩展以及在地面上形成液池的大小、形状和位置是对其进行危害性评估的前提条件。针对偏二甲肼容器可能发生的泄漏位置,采用VOF模型对偏二甲肼泄漏状况进行了数值模拟,得到了不同时刻偏二甲肼沿存储容器外壁面扩展以及在地面上形成液池的分布情况,分析了偏二甲肼泄漏速度对外壁液体及液池扩展的影响。结果表明:偏二甲肼泄漏时在存储容器外壁面上以细长且垂直向下的方式扩展;偏二甲肼以45.8cm3/s的速度泄漏4s,泄漏液在地面上形成面积约为220cm2的半圆形液池;偏二甲肼泄漏速度越大,泄漏过程中产生的液滴越少;当偏二甲肼泄漏速度加倍时,偏二甲肼泄漏后在地面上形成的液池面积增长了近4倍。

偏二甲肼与二氧化氮气相反应的数值模拟研究

为了分析偏二甲肼(UDMH)与四氧化二氮(NTO)推进剂气相泄漏后的反应情况,研究了液体推进剂贮存条件下的反应机理。采用量子化学的方法计算出生成物—1,1,4,4-四甲基-2-四氮烯(TMTZ)的生成焓,并应用数值模拟方法对偏二甲肼与二氧化氮的反应过程进行仿真,将数值模拟结果与试验数据进行对比。结果表明:TMTZ分子的生成焓为-369.15kJ/mol,该反应的数值模拟结果与试验值的误差均在合理范围内;该气相反应机理可为推进剂的相关研究提供参考。

发射场地面厂房抗碎片侵彻能力的数值模拟

采用AUTODYN动力学软件对火箭爆炸碎片侵彻地面厂房的过程进行了数值模拟,分析了碎片撞击速度对地面厂房侵彻能力的影响。数值计算结果表明:碎片撞击速度是影响侵彻能力的重要因素,随着碎片撞击速度的提高,侵彻深度线性增长,过载也随之增大,但过载峰值出现的时间明显缩短。仿真数据与理论计算结果吻合较好,研究成果可为发射场地面设施设备的防护预案提供参考。