重复使用贮箱结构选材及评价标准研究进展

可重复使用低温贮箱是发展重复使用运载器的关键领域之一.本文从国外重复使用贮箱结构材料选用及评价标准、国外贮箱结构设计取值方法及材料体系、贮箱结构材料试验体系三方面综述了重复使用贮箱结构材料选用及评价标准研究进展.系统介绍了泡沫材料、先进铝锂合金材料以及复合材料等在重复使用低温贮箱上的应用情况以及评定上述材料的试验方法.     

低温贮箱用复合材料的研究进展

系统地概括了低温贮箱用复合材料的研究背景、进展动态及研究现状,重点介绍了复合材料低温贮箱成型工艺、复合材料与低温推进剂之间的安全性及复合材料自身的低温力学性能。研究表明:自动铺丝成型工艺推动了无内衬的复合材料低温贮箱的发展;在冷热循环作用下界面等薄弱区域萌生大量微裂纹,机械载荷促进下形成低温推进剂泄漏路径;开发满足液氧相容性要求、工艺要求和力学性能优异的环氧树脂,是发展液氧贮箱用复合材料体系的关键;研究冷热循环作用和改性方法对于复合材料力学性能的影响,对可重复使用航天器复合材料低温贮箱应用的意义重大。     

可重复使用运载火箭返回段低温流体行为特性

可重复使用运载火箭在返回段复杂干扰作用下，贮箱内低温推进剂与高温气枕剧烈掺混，造成贮箱压力下降、推进剂温度升高等问题。针对垂直起降（VTVL）运载火箭返回段推进剂掺混及重定位过程开展研究，首次建立了液氧掺混后行为特性仿真模型并通过加速落塔试验进行验证，研究垂直起降运载火箭返回段复杂干扰作用下低温流体行为特性，获得推进剂形态、贮箱压力、推进剂温度及蒸发量等变化规律，为推进剂管理系统及增补压方案设计提供支撑。     

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层影响规律研究

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素。本文采用CFD技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律。研究表明,当回流口位于下封头以上2米位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳。此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持。     

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层的影响

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素.采用计算流体力学(CFD)技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律.研究表明,当回流口位于下封头以上2 m位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳.此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持.      

聚合物基复合材料在液氧贮箱中的应用研究

回顾了航天系统液氧贮箱的历史沿革，论证聚合物复合材料作为贮箱材料应用的必要性和可行性。从聚合物基体和纤维选择，复合材料的成型，与液氧相容性的评价以及综合性能测试进行了讨论。     

高强铝合金电子束焊工艺

本文依据我国运载器发展对装配工艺的要求和国外现状，综合论述了厚壁板铝合金液体贮箱焊装工作中气体保护焊存在的问题，铝合金电子束焊接工艺特征和焊接缺陷的防止措施。     

美国金属热防护系统研究进展

简述了美国为可重复使用运载器研制的金属热防护系统的研究现状及其发展趋势。详细介绍了金属热防护系统的结构组成及其分析设计和测试。金属热防护系统与传统热防护系统相比，防热层和承力结构一体化，无需气动外壳，可以减轻系统质量，防热面板容易安装和拆卸，可以大大节省维护时间和成本，适合可重复使用运载器降低成本、提高可靠性的要求。     

钛合金贮箱薄壁壳体电子束焊接

在研制大容积钛合金表面张力贮箱的过程中,由于受到焊接工装精度的限制,导致电子束焊缝缺陷,因此贮箱未达到设计爆破压力而发生破裂.通过对焊缝断面的金相分析,改进了焊接前焊缝清洁措施,修改了焊接工艺参数,最终解决了大直径薄壁钛合金壳体的焊接质量问题.     

VPTIG焊接机器人在铝合金贮箱箱底生产中的应用

简要介绍了焊接机器人系统结构特征,采用VPTIG单面焊双面成型技术进行2A14铝合金焊接试验,获得良好的焊接接头性能,总结出可靠的工艺控制方法.并应用于铝合金贮箱箱底的生产中,产品焊缝经过RT探伤、液压气密试验、氦质谱检漏等检测方法,各项技术指标满足设计要求.     

低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

新一代运载火箭箱体材料的选择

根据对国外大型运载火箭贮箱箱体材料的分析研究 ,结合我国贮箱研制经验 ,对铝 -镁系、铝-铜 -镁系、铝 -铜 -锰系、铝 -锂系铝合金和碳 /环氧复合材料进行分析对比 ,提出我国新一代 5m级运载火箭的贮箱材料以选择铝 -铜 -锰系的 14 7(2B16 )合金为宜 ,并建议对用于贮箱的 14 7合金板材的含氢量给予明确限定 ,以利于降低材料焊接时的气孔倾向     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅱ)增压系统数值模型与仿真结果

在所建立低温推进剂分布参数贮箱模型的基础上,采用液体火箭发动机试验台气路系统模块化建模与仿真软件,对某试验台液氧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研究.仿真结果与试验结果以及经验公式计算结果获得了很好的一致,表明分布参数贮箱模型相对于集中参数模型更为准确全面地描述了低温贮箱内的流动和热分层现象,并表明有限体积模型体系及所开发的仿真软件具有广泛的适用范围和良好的仿真精度,在管路系统仿真领域具有工程应用价值和数值拓展潜力.      

吸气式重复使用运载器弹道仿真研究

在对国内外吸气式可重复运载器的发展现状进行了分析后,建立了吸气式重复使用运载器动力学模型、地球模型以及大气模型等数学模型;建立了空天飞行器的弹道仿真系统。并以某吸气式重复使用运载器为研究对象,利用MATLAB编写程序,进行了飞行弹道的模拟仿真。仿真试验表明,计算方法及相应的仿真系统是合理可行的,可应用于吸气式重复使用运载器可行性的评价。     

化学表面处理和触摸污染对高强铝合金焊接气孔的影响及防止措施

高强铝合金焊接气孔一直是运载器研制和生产中突出的问题。多年来焊接工程技术人员对焊接气孔的形成原因进行了大量研究工作,试验了各种方法,制定了各种工艺规程,力图消灭或减少焊接气孔。但问题仍未得到有效的解决。     

基于VARTM 工艺的大型闭合截面复合材料箱体的研制

研究了VARTM工艺用树脂基体的黏流特性,进行了平板验证试验,并采用PAM-RTM软件对复合材料箱体的工艺过程进行模拟,确定了最佳注射方案和工艺控制参数,采用主体阳模的VARTM工艺,制备了复合材料箱体试验件,对贮运发射箱VARTM工艺成型的有效性及可行性进行了验证。     

可重复使用运载器结构重量估算方法研究

对可重复使用运载器总体参数统计数据进行回归分析,得到了可重复使用运载器结构重量估算公式,并以某可重复使用运载器为例进行了验算,结果验证了结构重量评估公式的合理性和可用性;通过定义无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子,使各总体设计参数的敏感性可进行对比评价,并以此分析了可重复使用运载器结构重量估算公式对单个总体设计参数的敏感度,总结出可重复使用运载器结构重量随总体参数变化的规律。其结构重量估算公式对我国未来可重复使用运载器的设计具有直接参考价值。     

铝锂合金贮箱焊接技术研究现状

铝锂合金是制造航天运载器贮箱的理想材料,其连接技术也是航天领域所关注的问题.本文综述了典型新一代铝锂合金材料2195及1460铝锂合金的主要焊接方法及其发展现状.与传统钨极氩弧焊、真空电子束焊、变极性等离子弧焊等熔化焊方法相比,新型固相连接技术搅拌摩擦焊由于能够获得更为优质的接头性能,有望在铝锂合金贮箱结构的连接上获得广泛应用.     

Micro-X概念验证机热防护系统研究进展

简述了国外可重复使用运载器的研究现状及发展趋势，详细介绍了美国下一代可重复使用运载器Micro—X概念验证机的热防护材料及设计。     

框桁式火箭贮箱壁板结构激光焊接变形仿真研究

针对框桁式火箭贮箱壁板结构双激光束双侧同步焊接（DLBSW）变形开展仿真研究。首先,建立了框桁式火箭贮箱壁板结构DLBSW有限元模型,并通过试验验证了该模型的可靠性;其次,重点考察了焊接顺序与方向对框桁式火箭贮箱壁板结构激光焊接变形的影响,获得了变形控制策略;最后,采用该优化方案,成功完成了框桁式火箭贮箱DLBSW壁板的研制。结果表明,采用“交叉中心焊”的焊接顺序,可极大程度地降低焊接变形;在焊接顺序优化的基础上,改变中间三条焊缝的焊接方向,可进一步降低焊接变形。