大型液体火箭结构纵横扭振动与推进系统耦合(POGO)稳定性分析

大型液体火箭结构振动模态空间分布的特征,导致结构横向和扭转振动对传统POGO回路稳定性产生影响。对此,基于改进的Rubin建模方法,建立了结构纵横扭振动与推进系统液路脉动耦合的POGO回路模型。该模型具有非奇异的优点,可以直接应用于频域分析和时域仿真。基于该模型分析了中国某型号液体火箭推进系统的泵增益和蓄压器能量值等重要参数对结构纵向振动以及横向和扭转振动稳定性的影响。研究得出,泵增益的增大不仅使结构纵向第2、4阶模态不稳定也使结构横向第2阶不稳定。通过调节蓄压器能量值,不但可使结构纵向失稳的模态由不稳定变为稳定,也使结构横向失稳的模态由不稳定变为稳定,说明该型号液体火箭的推进系统不仅与结构系统的纵向模态存在耦合作用,也与横向模态存在耦合作用。因此,对于大型液体捆绑火箭,在研究POGO稳定性时分析结构纵横扭振动与推进系统的耦合作用是有必要的。     

推进系统参数变化对液体火箭纵向振动响应的影响分析

为了优化液体火箭推进系统,避免POGO振动引起液体火箭低频振动环境恶化对火箭飞行过程的不利影响,建立了液体火箭POGO振动系统的动力学模型,利用动态灵敏度技术,提出了液体火箭纵向振动响应对推进系统参数的灵敏度时域分析模型。通过数值仿真,得到了推进系统流体惯性、阻力和刚度参数以及泵的动态增益变化对液体火箭纵向振动响应的影响规律。研究结果表明,液体火箭纵向振动响应对流体惯性和阻力参数的敏感程度比流体刚度参数明显大,泵动态增益的变化对液体火箭纵向振动响应的影响最大,泵前短管的流体刚度变化对液体火箭纵向振动响应的影响最小。为减小液体火箭纵向振动,进一步研究POGO振动特性提供参考。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

液体火箭POGO振动缩聚模型研究

针对液体火箭POGO模型中推进系统模型难以降阶的问题,提出了一种POGO模型缩聚的方法。利用广义逆迭代法只对输送管路的有限元模型模态分解,选取管路任意阶次模态方程与其余部件的方程组合得到推进系统的缩聚模型,进而与结构系统模态方程耦合得到POGO振动缩聚模型。当蓄压器作为纯柔性元件或非纯柔性元件时,缩聚模型的维度由管路的模态变量、结构模态变量再加1或2组成。模型的维度大大降低且算例表明其具有很高的精度。基于缩聚模型研究了某液体火箭蓄压器能量值和惯性对POGO稳定性的影响。研究得出,对于纯柔性或非纯柔性的蓄压器设计,能量值和惯性对不同时刻耦合模型稳定性具有不同的、非单调的影响规律。当耦合而导致结构系统频率大幅降低时,合理的调节蓄压器的能量值或惯性可以显著的增大结构耦合阻尼比,增强结构的稳定性。     

声场-结构耦合系统特征值敏度研究

基于有限元模型分析了声场-结构耦合系统的左、右特征向量关系式，证明声场-结构耦合系统左特征向量可用右特征向量的分量来表示，基于此分析推导出声场-结构耦合系统的特征值敏度表达式。以一矩形声场-结构耦合系统为实例进行计算，基于Nastran对声场-结构耦合系统进行模态分析，用其内部的DAMP语言编程计算了特征值敏度。结果验证了该方法的有效性及正确性。     

矩形域声—固耦合系统的分析方法

运用特征值与模态展开法相结合的方法,研究双向耦合结构-声场系统;分析声学和结构耦合响应;讨论结构驱动点阻抗与声介质特性阻抗比率和声—固耦合引起声波共振频率的变化之间的关系,提出了以声-固耦合引起声波共振频率的变化作为判据,判断何时采用双向耦合分析方法。     

液体火箭POGO振动分析的矢量拟合法

针对液体火箭的POGO振动现有分析方法存在不足的问题。建立了火箭推进-结构系统的传递函数,采用矢量拟合法对传递函数进行有理分式拟合,借助稳态图法确定传递函数稳定的极点,进而通过极点分布判断POGO稳定性;进一步分析了蓄压器不同设计状态对POGO振动的抑制效果并与临界阻尼法进行了对比。结果表明矢量拟合法比临界阻尼法具有更高的精度,并确定蓄压器PV值在0.157～0.196 MPaL范围内抑制效果最好;该方法可为其它液体火箭的POGO振动抑制提供参考。     

弹性地基上矩形贮液结构的液-固耦合振动特性

针对无旋、无粘和不可压缩的理想液体,根据Winkler弹性地基上矩形贮液结构的液-固耦合振动分析模型,通过引入无量纲参数建立了矩形贮液结构的液-固耦合系统的振动方程。为简化计算,根据梁的振型函数和频率方程,将三维问题转化为一维问题来处理,利用振型函数的正交性求解了Winkler弹性地基上矩形贮液结构的液-固耦合振动频率。最后,为便于工程应用,结合工程实际讨论了无量纲参数对矩形贮液结构液-固耦合振动频率的影响,从而为以后工程结构中矩形贮液结构的设计计算提供了理论依据。     

弦-梁耦合系统的动力学行为分析

本文研究了弦-梁耦合系统在初始平衡解处的稳定性与分岔情况,给出了特征值随阻尼参数的变化情况,并利用稳定性分析和特征值分析等解析方法,得到了初始平衡解、周期解和拟周期解的稳定边界以及导致Hopf分岔和2维胎面等分岔解的临界分岔曲线。最后,利用数值模拟方法研究了弦-梁耦合系统的稳定性与分岔情况。     

基于传递函数的星箭耦合载荷分析

分别对运载火箭和卫星进行频率响应分析。在取得离散形式的频率响应分析结果基础上,采用有理多项式拟合技术,将火箭和卫星的频率响应函数转化成以部分分式表示的传递函数。根据星-箭对接的力学条件,可以在Simulink平台上建立起星箭耦合载荷系统模型。对此模型进行仿真便可得到在外力作用下星箭耦合载荷系统的瞬态动力响应。分别以简单的质量-弹簧模型、以及星箭耦合载荷模型验证了方法的正确性。基于传递函数的星箭耦合载荷分析方法,将柔性结构的动力学计算纳入到系统仿真的框架之中,为进一步实现结构-气动和伺服控制系统的耦合分析奠定了基础。该方法也为将火箭和卫星实测的频响特性直接应用于星箭耦合载荷分析创造了条件。     

管材参数对输液管流固耦合振动的影响

采用特征线法对一蓄水池-管道-阀门(RPV)系统的流固耦合振动响应进行了数值计算,研究了管道结构阻尼、管材泊松比以及管道壁厚管道材料对系统振动响应的影响。结果表明：随着管道结构阻尼的增大,管壁本身的振动受到抑制;当管道结构阻尼大于某一临界值时,系统的振动能量主要集中在液体里,造成液体压力能的升高;随着泊松比的增大或管道壁厚的增大,液体的压能增大,管壁的轴向振动强度降低。     

固体火箭推进剂的未来

固体推进剂火箭业已高度成熟,在大多数军用导弹系统中,固体火箭较液体火箭占优势。固体助推器的应用于宇航系统进一步表明了它们的高可靠性,并已得到普遍的承认。今后一二十年内,固体推进系统有许多问题尚待解决,如降低成本问题,缩短研制周期和提高发动机性能,改进壳体和喷管材料,提高使用寿命、安全性能及可靠性,发展可调推力技术等等。从某些参数,如比冲来看,固体火箭推进剂的发展呈一长S形曲线。现在,正处于     

液体火箭冷弹射推进剂充液比影响研究

为研究冷弹射载荷作用下不同充液比的液体推进剂晃动对火箭发射精度的影响，以冷弹射液体火箭为研究对象，采用基于MPS(moving particle semi-implicit)方法的流-固耦合技术对推进剂晃动的动力学响应进行研究，得到液体推进剂充液比对火箭贮箱的干扰及其对火箭初始扰动和适配器受力特性的影响。结果表明：贮箱充液比越大，液体推进剂对单个贮箱的作用力越大；在一定范围内，随着充液比的增加，推进剂晃动使得火箭的离轨俯仰和偏航角速度先增大后减小，80%的充液比会使得火箭初始扰动及适配器受力较为恶劣；推进剂晃动问题在液体火箭冷弹射动力学研究中不可忽略。     

高效低频消波俘能非线性防波结构

时刻存在的海洋波浪侵扰严重影响海洋工程装备的安全运行和服役性能,而海洋波浪能又是具有诸多优点的绿色可再生能源。如何通过混合消波-俘能结构减小波浪载荷的同时利用海洋能源是海洋工程领域的基础科学问题。传统消波-俘能结构尤其是深远海浮式结构存在低频消波俘能难的技术瓶颈。基于减小系统等效动刚度思想,提出非线性混合消波-俘能结构,并开展消波俘能特性研究。设计了一种连杆拉簧负刚度机构并应用于混合消波-俘能结构。为了求解非线性混合消波-俘能结构的波浪-结构物流固耦合问题,提出了混合特征值匹配法和谐波平衡法的半解析非线性频域求解方法。研究了机构关键参数对消波俘能性能的影响,揭示了负刚度机构提高低频消波俘能性能的“相位控制”机理。     

基于图像数字化技术的裂隙岩石多场耦合分析

引入图像数字化技术来客观地反映裂隙化岩石的非均质性结构分布,并将其转化成物理参数(渗透系数、弹性模量等)的分布图,然后将它和数值方法相结合,应用于裂隙化岩石流固热多场耦合分析中。首先需要获得高清晰度的裂隙岩石数字图像,岩石中不同的结构对应不同的归一化特征值I值(图像像素颜色的特征值),通过I值与材料参数之间的一一对应关系就可以得到岩石中不同结构材料物理参数的真实分布。将物理参数分布输入到我们开发的基于MATLAB和FEMLAB的岩石多场耦合分析程序中,就可以得到真实地反映裂隙岩石的多场耦合作用过程。数值分析结果表明:图像数字化技术与数值方法相结合是可行且有效的,其结果更能反映真实的物理现象。     

中国液体火箭发动机如何进入21世纪

液体火箭发动机是宇航推进家族的重要成员,将会成为下一个历史时期使有效载荷达到第一宇宙速度的唯一推进手段,是制约航天发展速度的最关键因素。发展运载系统,动力必须先行。中国在21世纪初必须推出能与世界先进国家相当的大型运载火箭。这些火箭不能建立在用原有的发动机增加数量以加大推力的基础上,必须研制单台推力更大、更先进、无污染的新型发动机,同时还需开展火箭航天飞机及其发动机使用的气动塞式喷管的预先研究,以火箭航天飞机为突破口,赶上世界先进水平。     

盾构刀盘驱动三级行星齿轮系统固有特性及灵敏度分析

建立了三级行星齿轮传动系统的平移-扭转耦合动力学模型,模型考虑了时变啮合刚度、各级中行星轮位置相角的时变性、啮合综合误差、阻尼等影响因素。基于特征值问题求解了系统结构的固有频率和振型,并将其系统振动模式归为三类：扭转耦合振动模式、平移耦合振动模式、行星轮振动模式。研究了不同振动模式下固有频率对系统参数的灵敏度。研究结果表明,在一些系统参数敏感点处,参数的微小变化不仅导致固有频率灵敏度、模态能量的大幅变化,也将引起能量在各级间发生转移,使得振动特性剧烈变化。     

考虑液体晃荡的部分充液圆柱壳受迫振动分析

充液圆柱壳结构广泛存在于在工程中,在外部激励作用下,圆柱壳会与流体产生耦合振动,且未充满的液面也会产生晃荡,这种耦合振动响应分析在工程中具有重要意义。提出了一种求解考虑内部液体小幅晃荡的弹性圆柱壳振动响应的半解析法。首先分别在壳体建立结构坐标系、在自由液面建立液体坐标系,各自用来描述结构及内部液体的运动。基于Flügge壳体理论建立了圆柱壳的运动控制方程。将液体视为无黏、不可压缩的理想流体,根据线性水波理论和液体自由表面运动边界条件,得出了内部液体的速度势函数。通过流固耦合界面的连续性条件,结合坐标变换推导得到流固耦合系统的运动控制方程。研究了壳体在径向点力激励下振动响应,并得出了对应的液面晃荡响应。和有限元法对比验证了方法的正确性,然后改变相关参数讨论了考虑内部液体晃荡的弹性圆柱壳振动响应特性。     

战术用液体推进剂预包装技术的进展

英国的“推进剂、炸药和火箭发动机研究院”(PERME)是在第二次世界大战后建立起来的。该院发展了液体推进剂火箭发动机,随后,又发展了固体推进火箭发动机,后者在战术领域逐渐取得了优势。但液体推近剂,尤其是预包装液体推进剂具有潜在的优点,即:可改变推力,排气无烟,推力随温度变化小,可延长燃烧时间,较好的比冲,抗冲击,适用温度范围宽。此种推进     

发动机试验测量系统现场校准技术研究

主要叙述了液体火箭发动机试验测量系统校准现状,针对液体火箭发动机试验专用测试系统的特点,研究了现场多通道校准技术,制定了发动机试验专用测试系统的现场校准方案。