MESSENGER飞船推进剂贮箱的设计与制造

基于MESSENGER飞船的需要,开展了一种新型超轻贮箱的设计、制造和试验工作,整个过程分方案论证、分析与设计以及制造与试验三个阶段.第一阶段考虑了50多种贮箱结构,反复分析后确定了一种最有效的方案;第二阶段致力于防漩器、防晃板和贮箱壳体的设计与分析,包括用缩尺模拟试验确定防晃板的数目、尺寸与安装位置、防漩器和防晃板的载荷分析与结构分析以及壳体应力与断裂力学分析;第三阶段制造了一个鉴定试验用贮箱(以下简称试验贮箱)和四个飞行贮箱(三个飞行、一个备用).贮箱壳体、防漩器和防晃板分别采用固溶处理和时效(STA)的6AL-4V钛合金材料、6AL-4V钛合金板和退火6AL-4V钛合金环.壳体由四条周向焊缝连接,其中两条焊缝具有STA特性,另外两条经过退火处理.五个贮箱采用相同的工序和工艺.试验贮箱必须经过正弦和随机振动试验的品质检验,该检验项目还包括具有破坏性的爆破压力试验.所有飞行贮箱在清理和交货之前要经过模拟飞行试验.飞行贮箱包括附属组件在内不得超过9kg.超轻贮箱对于MESSENGER飞船计划的成功将起到至关重要的作用.     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。     

主结构与贮箱共承力航天器推进平台设计

航天器推进平台轻量化设计是提升航天器任务效率和优化系统性能的重要突破口。目前,通用推进平台的贮箱极少参与推进平台承载,推进平台需要通过辅助承力构件将贮箱载荷传递至主结构,降低了推进平台的承载效率。为此提出了一种主结构与贮箱共承力的推进平台构型,新研表面张力贮箱通过嵌入安装的方式安装在承力筒侧壁,并通过对承力筒主结构开展变刚度设计,实现对贮箱承载量级的合理控制。以某卫星型号的研制需求为例,基于Nastran软件对其推进平台的结构设计参数进行了优化设计,并开展仿真分析和试验验证。研究结果表明,主结构与贮箱共承力推进平台力学性能与通用推进平台相当,但推进平台干重占比可降至13.6%,可有效提升推进平台的整体效率。研究结果可作为大型航天器推进平台设计参考。     

碳纤维外缠绕的轻质纤维/金属压力容器

最近研制的轻质纤维/金属复合材料压力容器用的高强度碳纤维已通过了试验鉴定。对碳纤维性能、小试验气瓶性能、圆筒体性能、球体性能和低温贮箱性能等也进行了测量。试验结果与金属压力容器及其它纤维/金属压力容器结构进行了比较。碳纤维/金属圆筒压力容器和球形压力容器与以前性能最好的凯夫拉49/金属复合材料结构相比,其实际性能提高23％以上。     

低温表面张力贮箱研究

对用于低温液氧推进剂的表面张力贮箱进行了理论上的初步分析，认为其在理论上是可以实现的。从低温表面张力贮箱的材料选择、低温推进剂引起的热应力及隔热层结构形式等方面进行了初步探讨。重点介绍了低温表面张力贮箱隔热层的结构形式及选用的隔热材料。分析了低温表面张力贮箱面临的特殊问题。     

空间表面张力贮箱结构分析与优化设计

把有限元分析技术应用到贮箱结构分析和优化设计.针对某空间表面张力贮箱,建立其有限元模型,对该模型进行非线性结构分析.根据分析结果对贮箱的壁厚及法兰进行结构优化设计与分析,通过对分析结果的对比选择,得到一个受力较好,重量较小,同时满足安全余量设计要求的贮箱优化模型.     

无塌陷型面出流及输送管内推进剂利用技术研究

针对火箭通用芯级氧箱的共底贮箱结构，通过理论分析及数值仿真，提出了“无塌陷型面+消漩叶片”的出流方案，并通过优化型面起始点半径，确保出流过程中不产生明显的液面塌陷。仿真及缩比试验结果表明，相比传统的“圆盘+倒锥”出流方案，贮箱推进剂在无塌陷型面出流方案下的出流过程中，没有明显的气液掺混或漩涡夹气现象，贮箱内推进剂可得到充分利用。在此基础上，利用Wallis两相漂移模型对输送管内两相介质传播速度进行了理论研究，并结合出流过程中气泡运动速度的试验结果，提出了输送管内推进剂的可用量准则。     

板式表面张力贮箱导流板的理论计算与试验验证

板式表面张力贮箱的PMD通常包括导流板与出口附近的蓄液器,导流板是影响板式贮箱性能的关键因素之一,由于地面没有失重环境无法直接进行导流板的工作原理地面验证。为了确认导流板的可用性,通过理论分析建立了导流板液体传输能力的计算方法,通过中性浮力试验对导流板的液体收集能力进行了试验验证。经过多次试验的试验结果与理论计算结果的对比分析,得到了一种可应用于工程设计的计算方法,利用该方法编程形成了一套计算软件,可指导板式表面张力贮箱内导流板的设计。     

复合材料壳体挂机飞行一体化结构 优化设计分析

针对固体火箭发动机复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计问题,提出了基于拓扑优化和多参数目标驱动优化相结合的两步设计法。首先针对挂机飞行金属结构进行拓扑优化,优化后结构质量由8.6 kg降低至6.0 kg,实现了结构轻量化设计目的;然后针对复合材料挂机飞行一体化结构进行多参数目标驱动优化并进行参数敏感性分析,结构整体质量由6.0 kg进一步降低至5.94 kg。参数敏感性分析结果表明,挂飞连接支座上肢板厚度为关键尺寸,而挂飞结构外缠绕层宽度对整体结构强度贡献较小。静力载荷试验结果表明,壳体及挂机结构应变在10～140 k N前应变与载荷基本呈线性增长,当超过140 k N后挂机结构外部环向纤维开始断裂,挂机结构出现破坏,载荷设计值与实验值相对误差为15.6%,这是由于载荷试验采用单一吊耳加载而导致结构受力过于集中而相对容易发生破坏。     

板式贮箱内部流动的定常和非定常数值模拟

为了研究微重力环境下板式表面张力贮箱的内部流动规律,对板式贮箱导流板的驱动机理进行了分析,得到了微重力环境下板式贮箱内部定常和非定常流动的基本方程。应用四阶龙格-库塔法对定常流动方程进行求解,得到定常流动时导流板上液带的分布规律;应用MacCormack数值离散方法,对非定常流动方程进行求解,得到了不同时刻导流板上液带的分布规律及液带恢复稳定所需的时间。计算结果为板式贮箱的设计提供了数值依据,奠定了板式贮箱的设计基础。