火箭贮箱结构材料应用及发展现状

火箭贮箱是运载火箭的重要组成部件,但服役环境相对恶劣,在储存液体推进剂的同时还承担着复杂的结构载荷。结构材料是贮箱制造发展的根本,也是航天运载器变革的关键。本文主要介绍国内外运载火箭贮箱结构材料的应用及其发展现状,对铝合金、不锈钢、钛合金等金属材料以及复合材料贮箱进行了综述,系统性地总结了贮箱材料的变革历程和应用情况,并对未来贮箱材料的发展方向提出新的见解与展望。

饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究

为了获得低温贮箱在饱和氢气加注过程中的降温特性以及箱体壁面的热应力分布,通过计算流体力学软件FLUENT计算了一定加注流量下贮箱内部流体区域的流场、温度场和壁面内的温度场变化,分析了加注过程中贮箱内的流动特性和降温特性;采用单向流固耦合方法进行壁面热应力分析,得到了3种不同进、出口约束条件下热应力在壁面中的分布以及最大热应力随时间的变化情况,并分析了进、出口弹性支撑约束条件设置的合理性;考虑贮箱内的压力变化,进行了箱体壁面的综合应力分析。计算结果表明:加注过程可以分为3个阶段,前2个阶段贮箱内部的流场、温度场和壁面温度分布特性依次由入口强制对流和壁面自然对流单独决定,第3阶段由入口强制对流及壁面自然对流共同决定;在3种不同的约束条件下,箱体壁面中的最大热应力均出现在贮箱加注口和排气口处,在进、出口弹性支撑条件下,壁面最大热应力随时间先增大而后趋于稳定,在稳定应力状态下,热应力的存在使箱体壁面总应力增加了15%左右。

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120 t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120 t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。

椭球形贮箱内液体晃动特性试验研究

本文研究用于运载火箭的椭球形贮箱内液体晃动动力特性。利用常重力条件下缩比相似模型试验得到液体晃动的等效力学模型。应用参数识别技术确定第一阶等效模型的参数,并与近似计算方法得到的结果进行了比较。叙述了晃动试验中观测到的非线性效应。

火箭液氧贮箱热分层现象数值模拟

采用CFD技术,通过对液氧贮箱内部物理场数值模拟,揭示了贮箱内部温度场的分布规律,分析了液氧热分层现象的形成过程及原因。研究表明,回流口截面以上区域传热以对流方式为主,底部区域则主要是逐层导热。贮箱内部主体区域形成轴向温度分层,底部区域产生径向温度分层,最低温度区域偏移至底部封头右侧。液相主体区产生顺时针速度漩涡,贮箱底部由于流场影响产生逆时针的速度漩涡。

便携式火箭发射器脉冲噪声测试和小波分析

便携式火箭发射器所产生的冲击波和强脉冲噪声属非稳态信号,具有较宽的频率范围。用Fourier变换来分析非稳态信号的频率特性,在实际分析中难以达到所期望的效果。为了克服Fourier变换在时—频局部化方面的不足,文中采用小波分析方法对强脉冲噪声进行了分析,得到了一些有用的结论。

壳段法兰局部真空电子束焊机的特点及使用

通过火箭壳段法兰专用局部真空电子束焊接设备的焊接试验,介绍了壳段法兰局部真空电子束焊机的组成、真空室工作原理和铝合金局部真空电子束焊接的一些工艺措施。

液体火箭发动机试验台贮箱增压系统数值仿真

在不考虑传热传质的情况下建立了一种简化的贮箱模型,并采用液体火箭发动机试验台气路系统通用模块化建模与仿真软件对容腔放气过程和某试验台贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真,计算结果与分析解和试验结果获得了较好的一致,验证了软件的有效性和通用性.对两个系统的建模过程表明软件所采用的模块化建模与仿真方法适用于对复杂管网的建模,在液体火箭发动机系统仿真上具有较好的应用前景.对贮箱增压系统的仿真表明,合理设计PID控制参数并根据经验预置与额定流量相近的调节阀初始开度,对于提高增压系统起动过程的平稳性有利.

基于壳单元的火箭推进剂贮箱容积计算算法

为得到火箭大直径推进剂贮箱在不同工况下的整体容积变化和液面以下推进剂的体积,提出一种基于壳单元的贮箱容积计算算法,并利用Abaqus脚本语言Python编制相应的程序.通过该算法可以较方便地得到贮箱变形前后的整体容积和液面以下的容积.对比半球形封头贮箱未变形时容积和贮箱在温度与压强载荷作用下容积的解析解和数值解,发现在常规单元尺度下该算法的计算误差在0.1%以下,表明该算法的计算精度较高.

温度对贮箱增压系统的影响分析

在液体火箭推进系统中,贮箱增压系统为推进剂正常供应提供重要的技术保障。温度作为一项重要的影响参数,其高低变化直接决定着增压系统能否满足发动机正常工作的设计条件。本文以某贮箱增压系统为研究对象,开展温度对增压系统的压力特性影响的试验研究,主要分析从室温至-50℃低温环境的系统压力参数变化情况。试验结果表明:随着温度的降低,系统在相同工况下压力特性明显增大;-35℃是该系统不采取任何措施情况下能正常工作的最低环境温度;针对-35℃以下低温环境出现的问题,提出了相应的改进措施,使系统使用温度范围显著扩大,并通过试验验证了改进方法的合理性与有效性。试验结论可为同类增压系统设计及分析提供借鉴。

变质量矩形贮箱流固耦合系统动力学特性分析

为了研究质量减小(燃料消耗)过程中矩形贮箱的动力学特性,提出了一种基于PATRANNASTRAN-MATLAB的建模仿真方法。根据虚拟质量法对变质量矩形贮箱流固耦合结构进行简化,建立了结构动力学有限元模型;结合PATRAN-NASTRAN-MATLAB对该动力学模型进行计算仿真,求得了系统的位移响应;鉴于傅里叶变换在处理非稳态信号时的不足,使用ChoiWilliams时频分布处理变质量系统的动力学响应信号,得到了时频响应谱图。结果表明:系统质量的减小在引起系统振动频率增大的同时还产生了一个附加的负阻尼,使得系统的振动衰减减慢;系统质量减小引起的负阻尼与系统的质量变化率成正比,如果系统的质量变化较快,就会产生一个比较大的负阻尼,当负阻尼的作用超过结构阻尼的作用时,将使系统的振幅增大,甚至会超出贮箱结构的弹性范围,造成结构的破坏。

运输环境中火箭贮箱强度可靠性仿真

应用蒙特卡罗模拟方法计算运输环境中火箭贮箱强度可靠性 ,建立了火箭贮箱强度累积损伤模型 ,采用直接模拟法随机模拟应力和火箭贮箱初始强度来获取火箭贮箱的可靠度 ,并结合实例进行了仿真验证。该算法为分析随机载荷下火箭可靠性提供了依据。

共底贮箱氢氧泄漏监测设备研制

本文介绍了共底贮箱氢氧泄漏监测设备的详细结构设计,包括共底抽真空装置、共底气体成分分析装置、发射现场抽空管路和现场使用流程优化等内容。目前,所研制的2套共底氢氧泄漏监测设备已顺利交付使用,并已参与了3次发射任务,确保了火箭发射任务期间的航天器安全和发射人员人身安全,未来将持续服务于新一代中型运载火箭高密度发射任务。

反坦克导弹尾焰对微波信号衰减的理论预估

提出了一种能预测反坦克导弹尾焰及其它导弹喷焰对微波信号衰减的计算方法和计算机程序，它可定量地计算出推进剂中碱金属杂质含量、尾焰后燃效应和微波入射方位等因素对微波衰减的不容忽视的影响，弥补了AEROCHEM程序和IACH程序的不足。计算结果与实验结果比较有较好的一致性。

直升机导弹及火箭的运动分析

本文以直升机发射导弹和火箭为例,从运动学观点推导直升机,导弹及目标三者之间的关系,给出了导弹及火箭理想弹道,并就直升机旋翼下洗速度对火箭弹道的影响作了简单分析,为直升机发射导弹、火箭并保证命中目标提供参考依据.

贮箱多余物微激振清理机理与仿真分析

贮箱内壁多余物的控制与清理一直是运载火箭制造过程中的技术难点、风险点和薄弱环节。通过对贮箱内壁复杂结构多余物清理的难题进行梳理,结合多余物的种类、尺寸、吸附脱附机理,提出了一种基于贮箱翻转台的新型超声微激振多余物清理方案,从仿真分析的角度揭示其清理机理,并结合微激振器结构参数对清理效果的影响进行分析,获得最佳设计参数,并完成微激振器阵列的布置方案。

火箭贮箱结构健康监测传感器系统设计

为了保证火箭贮箱结构在存储过程中的完整性,需要开发适用于低温环境的贮箱结构在役结构健康监测传感器系统。该文进行了一系列低温测试试验。首先,利用长期监测试验考察了长期处于低温环境下的压电晶片传感器和粘接剂的性能退化情况,以表征其低温耐久性;然后,利用低温/常温剪切强度试验测试了不同种类粘接剂在贮箱结构使用环境下的抗高应变性能;最后,通过不同温度(室温^-180℃)下的Lamb信号收发试验评估了不同传感器系统的低温工作性能。实验结果表明,选用的粘接剂在低温下的力学性能和耐久性较好,压电晶片传感器在低温下耐久性良好。该文设计的传感器系统可用于火箭贮箱结构低温监测。

运载火箭圆柱形贮箱中推进剂大幅晃动的数值模拟

运载火箭飞行过程中,贮箱内推进剂晃动及波面破碎现象会对燃料贮箱产生较大的干扰力,控制不当会影响飞行稳定性。为了研究推进剂大幅晃动对贮箱结构的影响,建立了圆柱形贮箱内液体晃动非线性动力学模型,利用流体体积函数与水平集法解决了大幅晃动过程中产生的破碎波的描述及自由液面的追踪问题,并对三维圆柱形贮箱在多种含液状态下,由俯仰运动产生的大幅晃动进行了数值计算,得到了晃动过程中自由液面的变化、液体对壁面的作用力、液体的晃动速度以及液体质心变化情况。通过对含液率为30%,50%,70%三种含液状态下计算结果的对比,发现飞行中运载火箭贮箱中液体会经历由线性晃动到非线性晃动的变化历程。含液率直接影响晃动的剧烈程度、对壁面的作用力,以及液面破碎等非线性现象的产生,其中含液率为50%的状态是一种相对危险的工作状态。

基于遗传算法的火箭贮箱壁板数控加工刀具优选方法

为提高具有多槽腔结构的火箭贮箱壁板的数控加工效率,针对贮箱壁板数控加工自动选刀问题,提出基于遗传算法的多槽腔粗加工刀具组合优化选取方法。研究了刀具尺寸与加工策略对加工时间的影响,构建了刀具铣削过程加工时间模型;以可选刀具组内的刀具作为遗传基因,铣削加工时间作为适应度函数,刀具直径和刀具数量作为优化变量,建立了粗加工刀具组合优化选取遗传算法,实现了对基于现有加工资源的加工效率的最大化。实例测试表明,所提方法选取的组合刀具的加工时间相对于初始刀具加工时间缩短了64.5%。

火箭贮箱焊接缺陷修复技术研究现状

贮箱作为运载火箭的重要组成部件,其在服役时承受着振动、突风与冲击等随机载荷,保证箱体结构的可靠连接尤为重要。在实际生产中,焊接处的缺陷既破坏了接头的连续性,降低了其有效承载面积,又造成了局部的应力集中,从而直接降低火箭的可靠性。因此,针对焊接缺陷的修补是必要的。重点介绍了国内外几种常用的贮箱箱体焊接缺陷修补技术,从不同修补技术的特点入手,回顾了其发展应用过程,对其应用对象、修补后性能提升效果等进行分析。系统地总结了不同修补方法的现存问题,对未来贮箱焊接结构缺陷修补技术的发展方向进行了展望。