液体捆绑火箭POGO稳定性分析的闭环传递函数法

2003年,CZ-2F火箭成功将"神舟号"飞船送入太空。从遥测数据分析发现,在一级飞行末秒出现逐步增大的低频振动,具有典型的纵向耦合振动(以下称POGO)特征。国内外研究结果表明,液体火箭上升段常产生一种纵向动力学不稳定,它是由箭体结构模态振动和液体发动机的推进系统相互耦合而引起的一种自激振动。火箭结构系统、输送管路系统和动力系统构成了带反馈的闭环控制系统。火箭在飞行过程中,上述系统中的部分参数是变化的,故实际飞行状态对应着时变的系统。但系统在某一固定的飞行秒状态,可按线性时不变系统进行稳定性分析。推导出液体捆绑火箭POGO振动的传递函数,提出了闭环传递函数法并对液体火箭进行了POGO稳定性分析。计算飞行状态的稳定性,结果与飞行发生的情况基本一致;对可能采取的蓄压器参数设计方案,包括氧化剂管路与结构纵向一阶、纵向二阶和助推器局部模态的耦合,进行了稳定性分析,给出了不同结构阻尼时的稳定性裕度。文中的闭环传递函数法具有通用性,适用于液体捆绑火箭的POGO稳定性分析。     

液体火箭POGO振动时域分析方法研究

建立了液体火箭的动力学方程,将其化为具有初值问题的微分方程进行求解,以实现POGO振动特性的时域仿真,在微分方程的数值求解的基础上,获得液体火箭POGO振动的动态响应特性。根据液体火箭POGO振动主要参数,如结构特征点处的加速度,泵入口处的压力脉动等的时间历程的收敛或发散情况及飞行特征秒,来判断POGO振动是否发生或发生的时间。     

输送管路低频压力脉动研究

运载火箭飞行过程中,推进剂输送管路系统中有时会出现低频压力脉动现象。针对该现象,以输送管路系统为研究对象,进行了其固有频率的理论分析和研究,并开展了AMESim仿真验证,对输送管路产生压力脉动产生的机理以及其影响因素进行了初步研究。通过仿真试验分析,找出并验证了对输送管路系统压力脉动频率起作用的主要因素,在此基础上,初步建立了相应的输送管路脉动压力计算公式,方便后续工程应用。     

火箭用液氧泵的动特性试验

1.绪论液体火箭中经常会产生一种POGO的飞行器轴向自激振动。对于这种白激振动,泵具有较大的影响,因此,在POGO分析时须要计算出泵的动特性数据。迄今为止已有很多报道介绍泵的动特性研究结果。笔者也曾就使用高速液氧泵在泵入口NPSH(净正吸程)较大时的试验结果作过若干介绍。日本正在研制在第二级安装液氢液氧发动机的H-1火箭,并在研究第二级发动机是否要安装POGO的抑制装置。本报告就是以取得POGO分析上所需要的液氧泵动特性数据为目的,介绍泵入口NPSH较大时和较小的脉动试验结果。     

中国宇航学会结构强度与环境工程专业委员会将召开飞行器纵向耦合振动(POGO)专题学术交流会

中国宇航学会结构强度与环境工程专业委员会将于1984年10月底召开POGO振动学术交流会。征文内容: 1.全箭整体结构纵向固有特性,传递特性,试验(包括Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级等)与理论研究。大型液体运载器,发动机系统,飞行器头部,卫星等的重要部件的低频振动的固有特性试验与理论研究。     

新一代大型火箭全箭模态试验

新一代大型运载火箭具有大直径、长助推和多分支的结构特点,表现出复杂的助推器和芯级的多种空间组合模态特征,导致全箭模态试验的难度加大,本文对全新的振动塔设计和新型火箭空间模态精细化获取技术进行了论述,介绍了新一代大型运载火箭全箭模态试验实施方法,一些关键的试验技术的使用、对全箭试验中的技术问题进行了研究和评估,获取了大量的全箭模态参数,为火箭设计与动力学分析提供了重要依据。     

基于全箭模态试验的动力学数据库的方法研究

首次为全箭振动试验数据开发了动力学数据库管理系统。目的是要把所有的试验数据实现集成和共享,便于工程人员查询和分析,提高试验数据资源的利用率,加强全箭振动试验数据的管理。并且,输入一个型号的全箭振动试验数据验证并肯定了前期开发工作的正确性和可靠性,为以后的动力学数据库系统的应用和发展探索了方法。     

POGO振动研究的一种新建模方法

现有分析运载火箭POGO振动（纵向耦合振动）的模型有两种,即传递矩阵模型和Rubin提出的状态方程模型。考虑到这两种模型的不足之处,从分布参数描述的偏微分方程出发,采用分离系数法,得到形式简单的微分方程,并应用分段三次Hermite插值得到了新的管路模型。将新管路模型应用于系统,通过对三种模型计算得到的管路频率的比较,验证了新得到的形式简单的管路模型,有较好的精度。     

全尺寸航天器振动台多维振动试验的天地一致性研究(上)

地面振动试验中的全尺寸航天器响应与在天上全箭振动时的航天器响应是否一致的问题,即振动试验的天地一致性问题在文中得到分析。通常,航天器振动试验方法无法同时反映航天器在天上全箭振动时航天器和运载火箭(简称器箭)界面的加速度条件和器箭界面的安装边界条件,因而无法保证其实验结果的可靠性。针对这一问题,在文中指出,对于全尺寸航天器而言,如果让航天器和振动台(简称器台)界面的加速度等于在天上全箭振动时的器箭界面的加速度条件,就能同时自动满足航天器器台界面安装边界条件,由此就能求得全尺寸航天器在振动台振动试验中的解析解,精确等同在天上全箭振动中航天器振动响应。首先应用动态实验仿真技术,导出天上全箭振动响应模型及其解析解,包括:器箭界面的加速度条件和航天器内部加速度响应。然后让全尺寸航天器与振动台的界面加速度等于全箭振动中导出的器箭界面加速度条件,由此就能对全尺寸航天器振动台多维振动试验进行仿真,给出在振动台振动试验中全尺寸航天器响应的解析解结果,可以证明在振动台多维振动试验中全尺寸航天器响应的解析解等于在全箭振动中航天器响应的解析解。这一研究成果,为采用全尺寸航天器振动台多维振动试验方法来精确再现在天上全箭振动中航天器多维振动力学环境提供了完整的理论依据和实践指导。     

航天飞行器脉动压力数值计算方法综述

航天飞行器以高马赫数飞行时,由于边界层的复杂流动将产生强烈的脉动压力环境。由此会引发仪器设备强烈的振动与噪声环境,从而大大降低了系统的可靠性,甚至导致飞行失败。长期以来,国内外在飞行器脉动压力预示方面开展了大量的理论分析、数值计算与试验研究,取得了一定的成果。随着计算流体力学和脉动压力计算方法的日趋成熟,数值方法正日益成为脉动压力环境预测的主要工具。针对飞行器脉动压力环境的基本特征,对目前常用的脉动压力数值计算方法和现有研究成果进行了较为全面的介绍,对新一代航天飞行器的研制提供了一定的参考依据。     

利用稳定性相图进行的POGO抑制设计

通过对NASA规范的公式进行重新推导，得到了推广的POGO抑制设计方法，首次画出稳定性相图，用之分析和解释了我国现有某系列火箭的POGO稳定性。此稳定性相图可以用来指导新火箭的POGO抑制设计。     

简讯

<正>近日,长征五号运载火箭,已经矗立于北京强度环境研究所的天津新一代运载火箭产业化基地的振动塔中,正在进行全箭动力学特性试验。为了让各界专家亲身感受试验规模,一睹火箭风采,同时了解产业化基地发展现状,北京强度环境研究所在2015年6月至7月期间,举办"院士走进新一代运载火箭产业化基地"     

对两种头部外形气动噪声的预测分析

飞行器在整个飞行中遇到的噪声环境基本有两种:发动机排气流的噪声和“气动噪声”。气动噪声是由于飞行器本身与周围空气介质相互作用形成,主要发生在跨音速飞行段及再入段。火箭飞行时,表面脉动压力主要由非定常流引起。脉动压力的大小与自由流动压成正比。由于飞行器表面流场的非均匀性,最大的气动噪声不一定发生在最大的自由流动压的情况下。从试验得知在分离流和激波振荡出现的区域,脉动压力值要比附体流至少大一个数量级,而此时自由流动压不一定最大。对于一个给定的飞行器外形,其马赫数和攻角确定流场特性,而自由流动压则确定脉动压力值。     

全尺寸航天器振动台多维振动试验的天地一致性研究(下)

地面振动试验中的全尺寸航天器响应与在天上全箭振动时的航天器响应是否一致的问题,即振动试验的天地一致性问题。通常,航天器振动试验方法无法同时反映航天器在天上全箭振动时航天器和运载火箭(简称器箭)界面的加速度条件和器箭界面的安装边界条件,因而无法保证其实验结果的可靠性。对针对这一问题,于全尺寸航天器而言,如果让航天器和振动台(简称器台)界面的加速度等于在天上全箭振动时的器箭界面的加速度条件,就能同时自动满足航天器器台界面安装边界条件,由此就能求得全尺寸航天器在振动台振动试验中的解析解,精确等同在天上全箭振动中航天器振动响应。首先应用动态实验仿真技术,导出天上全箭振动响应模型及其解析解,包括:器箭界面的加速度条件和航天器内部加速度响应。然后让全尺寸航天器与振动台的界面加速度等于全箭振动中导出的器箭界面加速度条件,由此就能对全尺寸航天器振动台多维振动试验进行仿真,给出在振动台振动试验中全尺寸航天器响应的解析解结果,可以证明在振动台多维振动试验中全尺寸航天器响应的解析解等于在全箭振动中航天器响应的解析解。这一研究成果,为采用全尺寸航天器振动台多维振动试验方法来精确再现在天上全箭振动中航天器多维振动力学环境提供了完整的理论依据和实践指导。     

液体火箭Pogo振动蓄压器非线性仿真研究

本文针对液体火箭推进系统中的Pogo振动现象提出了一种非线性的仿真方法。传统的线性管路模型可以用来进行Pogo振动的稳定性分析;但直接用于振动过程的仿真时,却与实际发生的振动现象差别较大。这些稳定性分析方法中,蓄压器元件采用的是在工作状态附近线性化的模型,而本文从蓄压器中工作气体状态方程出发,建立蓄压器的非线性模型,并对管路和箭体结构耦合系统的状态方程进行了时域仿真。仿真结果表明非线性模型不仅可以反映出系统每个时刻的稳定性,而且可以再现Pogo振动失稳时发散和收敛的过程,特别是失稳时蓄压器处压力脉动变化的非对称特点。这些都非常符合Pogo振动的观察结果。     

从随机振动信号中分离出周期分量的方法

本文主要针对液体火箭发动机的随机振动,提出在谱分析时用变带宽的方法取代时域上用自相关函数确定信号的周期与随机分量,以及周期与随机分量分离的方法。用此方法确定的液体火箭发动机的振动特性基本上和美国公布的液体发动机的振动特性一致。液体火箭发动机的不稳定燃烧和脉动推力引起机械的振动,发动机的强噪声引起的声     

NASA将在原动力学试验站完成Ares火箭的地面振动试验

NASA马歇尔空间飞行中心原有的动力学试验站将在2011年应用LMS试验软件完成全尺寸Ares发射系统的地面振动试验（GVT）。这个大型火箭的振动试验是利用柔软的悬挂系统将空间飞行器“悬浮”在无约束环境里进行。该设施最早建于1964年,它作为阿波罗载人登月计划的一部分,为进行土星V的火箭振动试验而建的,     

火箭复合材料结构的噪声振动环境复现与特性研究

噪声环境是火箭飞行过程中的主要激励源之一,会引起结构的强烈振动,并对安装的仪器设备的正常工作带来影响。目前火箭结构大量采用复合材料,其厚度薄、重量轻,在噪声环境激励下,不同位置处的随机振动存在很大差别,这给环境条件制定和试验考核带来了困难。根据飞行实测的局部位置随机振动结果,通过调整噪声外激励,预示了在实际飞行过程中复合材料舱段的振动环境,同时对噪声环境激励下不同位置处的随机振动特性开展了研究,为进行力学环境的精细化设计和仪器考核试验的真实模拟提供了参考。     

基于外场实测数据的非平稳非高斯振动试验条件制定

本文重点讨论如何依据外场试验数据制定非平稳非高斯振动试验条件.基于地面和空中运载工具振动的产生机理,选用乘积公式作为运载器随机振动分析的统一模型.利用滑动平均将实测非平稳非高斯信号分解成平稳载波和时变调制波.提出了反映调制波时变特征的二次分解和综合算法.用外场实测数据演示了炮击振动、轮式车辆道路运输振动和火箭飞行振动的...     

火箭级间段连接螺栓失效数值模拟

火箭级间段采用多个螺栓盘式连接,在高速飞行过程中,箭体受横向异常载荷的作用,导致连接螺栓相继失效.本文利用非线性有限元软件ABAQUS,对单个螺栓的失效进行数值模拟（包括无螺纹单螺栓应力模型和有螺纹单螺栓破坏模型）,计算得到的失效破坏载荷与试验测定的破坏载荷进行对比.考虑火箭全箭飞行过程中遭受的横向异常载荷,对级间段连接螺栓的相继失效进行数值模拟.