结构比强度及其在优化设计中的应用

本文从结构重量角度推导了比强度(含比模量)表达式,分析了对同一材料不同比强度的关系,给出了比强度在结构动态分析中及结构优化设计中的应用。     

不同压力条件下水平平板的表面换热实验研究

为了解不同压力下水平平板的气体对流换热变化情况,搭建了一个提供不同气压和环境温度的实验舱,开展了在不同压力(0.1 Pa、0.1 k Pa、0.2 k Pa、0.5 k Pa、1 k Pa、10 k Pa、50 k Pa和常压)与几种加热量(75、150、300 W/m~2)组合条件下的水平平板换热实验研究。通过对辐射换热和自然对流换热的比较,得到不同压力下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在环境气体压力小于1 k Pa时非常小,而在1 k Pa以上时才较大;在大于1 k Pa时,对流换热系数随压力的升高呈二次方增加。     

航天器周围真空品质的计算

计算了在低轨道飞行的航天器表面附近的气体分子密度及压力分布。计算了航天器表面的放气,并得到了放气分子在表面附近的等压曲线。计算结果表明,航天器表面附近的分子密度和压力比航天器所处的环境分子密度(10~(13)/m~3)和压力(10~(-7)Pa)提高了两个数量级以上,分别达10~(16)/m~3和10~(-5)Pa。等压曲线的分布是前部较密,后部较疏。     

比冲和比推力有何不同?

在一般火箭技术文献中,比冲(Specific impulse)和比推力(Specific thrust)是一回事,其定义为推力与推进剂重量流率或质量流率之比。习惯上都用推力与推进剂重量流率之比,即(?)(1)     

混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究

基于复合材料力学中的复合定律和断裂应变破坏准则,讨论了混杂纤维复合材料的断裂特性,得到了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度;并讨论了最优混杂比的选取方法。算例表明,文中给出的最优混杂比的确定,就是一种满应力的优化设计,它可用于固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体的初步设计。     

在70m~3容器中获得5×10~(-8)Pa 的超高真空

KM3设备是一个容积为70m~3的大型空间模拟器。1993年将原来用油扩散泵作为主抽气泵的有油抽气系统改造成为用制冷机低温泵的无油抽气系统,并将系统的空载极限真空由9.3×10~(-7)Pa 提高到5×10~(-8)Pa。该系统不仅填补了国内新一代大型无油超高真空系统的空白,而且在国际上也属领先水平。在设计中采用了分压强的概念,深入分析了各种气体成分的影响,成功地解决了所遇到的一系列理论和实际问题,为今后无油系统的设计提供了经验。文中详细介绍了按系统内各种不同气体的分压来进行设计的方法和为获得超高真空所采取的主要技术措施。     

用内压降压试验和埋入式传感器测定固体推进剂的有效模量

赫克力斯(Hercules)公司研制了一种无损试验方法,用埋入式应力传感器系统测定全尺寸老化试验发动机的推进剂模量。该方案包括两项实验计划,一项为标定试样试验;另一项为全尺寸发动机试验。第一项计划用来确定传感器响应和推进剂模量间的关系。其方法是将三种型号的赫克力斯传感器预埋在已知拉伸模量值的推进剂中制成标定试样,进行定水压试验和高速降压试验。根据试验数据作出定压载荷下三种型号传感器响应和推进剂模量的关系曲线。然后根据降压试验数据和定压试验结果提出一项确定标定试样模量的程序。第二项计划采用一台三叉戟-Ⅰ第三级老化试验发动机,发动机绝热层粘贴有几个赫克力斯传感器,采用标定试样所用的低定压试验和快速降压试验方法,根据埋入传感器的响应确定发动机推进剂的模量。实测推进剂模量值和从应力松弛模量主曲线算出的值相当接近。     

缩比固体火箭发动机试车中出现的内弹道畸变

在全尺寸和缩比固体火箭发动机试车中,出现被认为是由燃速变化而引起的内弹道曲线中部畸变。预测的和实际的压力——时间曲线、推力——时间曲线之间的差别,既不能预测,又没有完全了解。但是,用手工方法和自动化方法已描述了这种中部畸变特征。在以过氯酸铵为氧化剂的烃类推进剂中观察到上述现象。为改善工艺性能而降低了粘度的这类推进剂可使这种畸变扩大。为了找出这种畸变的可能来源,分析了缩比试验发动机试车的压力—时间曲线、推力——时间曲线和推力压力比与时间的关系曲线。对发动机尺寸、工作条件和推进剂配方进行了研究,以确定发生畸变的可能原因和验证畸变的可能机理。     

材料的比强度和比刚度

通常结构件的重量与所用材料的比强度或比刚度成反比,因此比强度、比刚度就成为材料选择的主要参数。本文分析了板材、型材在拉伸、弯曲作用下以及受压杆件、内压圆筒件的构件重量和材料强度、弹性模量之间的关系,求得合理的有效比强度、有效比刚度的表达式。根据计算,这两个参数可以分别表示为o~x/ρ或E~y/ρ(x,y≤1)。作者建议采用这两个参数代替常用的o/ρ和E/p,作为优化材料选择的准则。 基于以上表达式,对于重量成为设计的严重问题来说,降低材料的密度比提高材料的强度或弹性模量更为有效。从这个意义上说,宇航材料的发展史也就是材料密度不断降低的历史。     

B/HTPB体系混合过程中剪切力对流变特性的影响研究

探索剪切力对硼粉/端羟基聚丁二烯(B/HTPB)混合体系流变性能的影响,采用旋转粘度计和同向双螺杆转矩流变仪分别考察了B/HTPB体系在低剪切应力和高剪切应力下流变特性的变化规律。结果表明:B/HTPB体系在旋转粘度计中剪切速率小于5s-1,剪切应力小于200Pa,含硼25%的B/HTPB体系在50℃下混合300min,表观粘度在26.9～32.0Pa·s内变化;而B/HTPB体系在同向双螺杆转矩流变仪中的剪切速率范围为71.11～355.56s-1,剪切应力比旋转粘度计的高1～2个数量级,对于含硼20%的B/HTPB体系在50℃、233.33s-1下混合230min,表观粘度达到446.3Pa·s,体系达到凝胶状态。在高剪切力作用下,B/HTPB体系粘度快速增加,低剪切力作用下B/HTPB体系粘度几乎不变。因此,在高剪切应力下对改性硼粉的B/HTPB体系流变规律进行研究,可为硼粉改性和团聚效果的评价提供一种方法。     

复合固体丁羟推进剂药柱表面防湿涂层研制

介绍了一种丁羟推进剂药柱表面防湿保护涂层,它可以涂敷在药柱表面形成一层薄膜,其透湿系数小于3.0×10~(-13)g·cm/(m~2·s·Pa),能有效阻止湿气扩散到推进剂内部,这种保护涂层有效地降低了湿气对推进剂性能的影响,延缓推进剂的老化,而对推进剂点火性能无明显影响。     

由应力松弛试验数据确定松弛模量和蠕变柔量

用粘弹性有限元法计算药柱应力需要给出推进剂的松弛模量和蠕变柔量的Ｐｒｏｎｇ级精有达式，利用应力松弛模量的Ｐｒｏｎｇ级数模式，通过最小二乘法对由试验求得的应力松弛模量－时间曲线进行拟合，求出松弛模量的Ｐｒｏｎｇ级数中系数和指数，再利用蠕变柔量与松弛模量的关系式，求得蠕变柔量的Ｐｒｏｎｇ级数中的系数和指数，以此计算药柱的应力。     

点火增压过程中体积模量对药柱结构分析的影响

根据点火过程中压强-时间和压强-体积模量变化规律,得出了药柱体积模量随时间的变化规律。应用该规律分别进行药柱弹性和粘弹性分析,得出了泊松比变化情况,并与体积模量为常数的分析结果对比;进一步应用弹性有限元分析整个点火过程中圆管药柱内孔周向应变变化情况,探讨了点火过程中体积模量对药柱结构分析的影响。分析表明,压强对拉伸模量影响不大,体积模量增大相当于泊松比增大,粘弹性剪切松弛模量可由近似公式求得,对药柱进行点火过程弹性或粘弹性分析时,应考虑体积模量随压强变化的影响。     

立体光造型制造蜂窝结构

文中介绍了一种生产蜂窝结构的新技术——立体光造型(SLA)。该方法不需要模具,生产的蜂窝结构可重复性令人满意。除了极薄(约0.25mm)的蜂窝结构,每批次的密度变化不超过17％。芯格尺寸为9.5mm和4.8mm的两种结构,密度分别为98.5kg/m~3和180.7kg/m~3芯格尺寸为9.5mm的蜂窝结构,比平面剪切强度范围为0.006～0.009MPa·m~3/kg,比平面剪切模量范围为0.21～0.27MPa·m~3/kg。立体光造型和其它常用方法相比,快捷方便,适应性强。     

液体火箭上面级发动机用超低比转数泵研究

为了研制出液体火箭上面级发动机用高性能超低比转数离心泵,采用变曲率复合离心轮、加大流量法等设计措施,设计了比转数分别为24和33的两种高速小流量高扬程离心泵,并应用Fluent流体计算软件对其内流场进行了分析计算。所设计的泵已参加了相关试验,试验结果表明泵性能稳定,扬程曲线无“驼峰”,功率无过载,达到了设计目的。     

大厚度比窄焊缝不锈钢薄板缝焊工艺研究

采用电阻缝焊方法对航天推进剂贮箱用0.086 mm厚不锈钢网片(022Cr17Ni12Mo2)和1 mm厚不锈钢支板(1Cr18Ni9Ti)进行搭接缝焊工艺试验,通过控制不锈钢支板变形量和网片变形张力,检查焊缝外观质量、密封性和内部质量,解决了接头组合材料厚度比大于10:1和焊缝宽度1~1.2 mm的不锈钢薄板缝焊难题。研究结果表明,采用合适工艺参数可以避免缝焊过程焊缝成型不良等问题,保证了焊缝密封性;采用专用工装对缝焊过程不锈钢支板变形进行控制和焊后校形处理,可有效控制不锈钢薄板焊接变形;通过缝焊过程网片表面张力的调节,达到了控制网片性能的目的。     

基于粘弹性VCFEM的复合固体推进剂等效松弛模量预示方法研究

复合固体推进剂松弛模量一定程度上决定了固体发动机的结构完整性和贮存寿命,为获得推进剂组分材料参数、夹杂相质量分数、级配的质量分布和粒径比等细观特征参数对等效松弛模量的影响规律,基于Prony级数粘弹性本构模型在时域内的离散形式,推导了含夹杂相粘弹性VCFEM(Voronoi单元有限元方法)的有限元列式,结合二分法提出了推进剂等效松弛模量预示方法,采用随机抽样的方式完成了不同细观特征参数下推进剂等效松弛模量的影响分析。结果表明,夹杂相的组分材料参数和颗粒级配对等效模量的影响较小,在给定的参数变化范围内,结果的变化幅度小于10%,而基体相模量和夹杂相质量分数对等效松弛模量的影响非常显著,分别呈现线性增长和加速增长的趋势。     

固体推进剂松弛模量拉压性能及温度敏感性分析

固体推进剂的拉伸/压缩力学性能存在较大差异,这与推进剂的细观结构及其在拉压载荷作用下的受载作用机制有关,发动机药柱精细结构完整性分析必须考虑推进剂力学性能的拉压不同性。分别定义了推进剂松弛模量的拉压不对称因子和温度敏感性系数,通过HTPB和PBT两种固体推进剂的拉伸/压缩应力松弛试验,研究了温度对松弛模量拉压不对称因子的影响规律,探讨了两种推进剂的拉伸/压缩松弛模量的温度敏感性差异,最后通过细观有限元数值仿真对推进剂拉伸/压缩应力松弛过程中的受载机制进行了初步分析。研究表明,高温对HTPB推进剂的拉伸模量和PBT推进剂的压缩模量影响较大,而低温对HTPB推进剂的压缩模量和PBT推进剂的拉伸模量影响较大;推进剂在较高温度下的温度敏感性低于其在较低温度下的温度敏感性;应力松弛的过程中,造成推进剂拉压不对称性的主要原因是推进剂内部固体颗粒之间的挤压接触作用。     

纤维复合材料动态模量测定方法的研究

本文提出用节线法,测定悬臂梁共振频率系列,进行统计分析,以确定动态模量;并采用应交花观测扭转振动的影响。文中并提出用TIMOSHENKO梁测定动、静态杨氏模量和剪切模量的方法。     

运动基航天飞行训练模拟器信号缩比算法研究

当前运动基飞行模拟器对控制信号的缩比以三阶多项式缩比法为主,但其参数确定困难且当缩比幅度较大时易使信号出现较大畸变。而航天飞行模拟中常常会经历线加速度或角速度信号在较大幅值范围内的增大或减小,典型的如返回再入时的过载变化。针对此种情况,一种新的缩比算法——Hermite缩比函数法被提出。首先完善了Hermit缩比法关于最优参数理论的推导和证明;其次,引入变量“缩比度”,在实例仿真中比较了其对两种缩比方法的影响。结果表明,Hermite缩比函数法参数确定方便,其信号单调性的保持不依赖于缩比度的取值,更适合应用于缩比度变化较大的航天飞行模拟中。