航天器贮箱内液体晃动阻尼研究(一):理论分析

在理想流假设及线性化的自由表面边界条件的基础上,对刚性容器中液体小幅晃动进行了流体相似律的研究。得到了晃动的固有频率及各部分阻尼随特征长度、特征运动粘性系数以及特征重力加速的变化关系。此外还分析了壁面阻尼,受污染的自由液面阻尼以及液体的内部阻尼这几部分晃动阻尼的相对关系,以及它们随各个特征参量的变化情况。分析发现各部分的晃动阻尼比取决于一个无量纲参数,内部阻尼所占的比例随着运动粘性系数的增大、特征尺寸的减小、特征重力加速度的减少而增大,因此在某些情况下内部阻尼不可忽略。     

变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟

以某卫星液体推进剂贮箱为研究对象,用Fluent三维数值模拟软件,对在零重力环境变轨过程中贮箱内液体推进剂的晃动特性进行数值模拟。分析了晃动过程中液体推进剂的质心变化和液体推进剂对贮箱的作用力。数值模拟获得了液体推进剂在变轨过程中晃动的频率和阻尼比。与ABRAMSON等根据实验结果拟合得出的阻尼比经验公式计算结果和文献中对阻尼比的简化计算结果相比,模拟结果接近经验公式,同时能反映阻尼比随液深的变化,计算结果具有可信度。     

微重力下板式贮箱内液体晃动性能研究

板式贮箱内推进剂管理装置(PMD)以板式结构部件为主,其抑制液体晃动性能应能够满足卫星平台高稳定度和快速机动的需求。针对微重力下板式贮箱内液体晃动性能,建立基于有限体积(VOF)方法的气液两相流流动模型,通过数值模拟计算手段,比较分析研究了微重力环境下有防晃叶片和无防晃叶片的板式PMD晃动性能。计算分析结果表明,有防晃叶片的板式PMD抑制液体晃动性能明显优于无防晃叶片的板式PMD,使液面快速趋于稳定。同时,将计算分析结果与液体晃动微重力试验结果进行了分析比较,微重力试验结果与计算分析结果非常相近。研究结果表明,有防晃叶片的板式PMD具有更好的抑制液体晃动功能,能够显著地抑制贮箱内推进剂晃动,以满足卫星平台的高稳定度和快速机动的需求。     

模态分析在液体晃动等效力学模型建模中的应用

针对传统方法在液体晃动等效力学模型建模中通用性差的缺点,提出了一种对弹性体有限元进行模态分析实现解算液体晃动特征问题的方法。推导了液体晃动力和力矩与有限元模态分析结果间的关系,建立了液体在横向激励作用下晃动的等效力学模型。以椭球底柱形贮箱为例,给出了不同充液深度时液体晃动频率、晃动质量和晃动质心位置的变化。结果表明:计算值与实验数据吻合较好,验证了方法的有效性与正确性。     

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型（MPBM）,结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。     

微重条件下平放圆柱形腔体内液体晃动问题

本文研究了平放的圆柱形腔体内的液体,在微重及一般重力场条件下的力学性态。解出了液体在上述条件下平衡自由液面的弯曲形状,分析了液体在晃动时的力学特性,给出一种计算液体晃动固有频率的简单方法,并利用等效力学模型计算了腔体所受的液体晃动压力和力矩。最后,将本文所得计算结果与在重力场条件下得到的实验结果(见NASA TND-252)进行了分析、对比。     

圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动实验及动力学特性分析

针对圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动力和力矩动态信号的采集与分析问题,设计了一种能同时实现充液贮箱整体固定安装和液体动态晃动力、力矩精确测量的实验装置,给出了相应的实验数据采集、分析和处理方法。通过开展大量实验,将实验数据与CFD仿真结果进行细致对比后发现:在旋转晃动状态下,CFD仿真结果存在明显的计算偏差,不便被独立的用于完整揭示贮箱内液体晃动的真实特性。最后,归纳了贮箱内液体的非线性稳态晃动行为随横向外激励频率的变化规律,并对比分析了驻波晃动、拍振晃动、多类复杂的旋转晃动等多种不同形式的非线性稳态晃动行为对运载工具控制系统的任务执行效率和稳定性的影响。     

分隔贮箱内液体晃动参数的识别方法

分隔贮箱内液体晃动问题可以用一个两自由度非线性阻尼系统予以描述。本文采用等效线性化方法处理非线性阻尼参数，给出了一种利用稳态正弦基础激励晃动试验技术确定分隔贮箱内液体晃动等效力学模型的参数识别方法。方法通过引入晃动模态的频响函数剩余影响的拟合项实现两阶晃动模态的分离识别。数值仿真计算表明，这一方法给出的参数识别结果可以满足工程应用的精度要求     

液体大幅晃动情形的航天器刚液耦合动响应仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)方法处理液体大幅晃动问题,并系统地建立了航天器刚-液耦合动力学的数值模型.通过液体受惯性力、刚体受流体作用力与力矩来实现系统的耦合,采用交错算法对液体晃动模块与刚体动力学模块进行迭代求解.将刚-液耦合系统的数值计算结果与物理试验及液体刚化计算结果进行了比较,验证了本文方法的适用性和...     

低重环境下旋转轴对称贮箱内液体晃动研究

针对低重环境下旋转轴对称贮箱自由晃动和受侧向、纵向激励时的箱内液体晃动,用变分原理推导了基于低重环境下静液面形状的液体晃动的积分形式的动力学控制方程,由拉普拉斯方程得到用高斯超几何级数解析表达的速度势和波高,进而得到液体晃动的模态运动方程。分析了球形贮箱和Cassini贮箱内液体自由晃动基频,贮箱受侧向激励时液体晃动波高振幅、晃动对贮箱产生的晃动力和力矩、晃动的等效力学模型,以及贮箱受纵向激励时的晃动波高振幅、可能出现的参激共振问题。     

充液航天器大幅晃动耦合动力学建模仿真研究

针对充液航天器大幅液体晃动与全星姿态运动的耦合问题,文章采用三维质心面法建立了储箱级等效力学模型和全星级耦合姿态动力学方程。该方法将储箱内液体等效为只能在其质心面内运动的质心点,而液体晃动对储箱的作用力（含力矩）用质心点与质心面之间的相互作用来模拟,同时利用牛顿欧拉法推导了液体晃动与航天器姿态运动的耦合动力学方程。数值仿真表明,计算结果与其国外实验卫星的在轨测量结果基本一致,从而初步验证了质心面等效力学模型用于全星级大幅液体晃动耦合动力学分析的有效性。     

大型充液卫星在轨模式识别

提出了大型充液卫星在轨模式识别的方法 ,通过大型充液卫星在轨飞行试验确定液体晃动阻尼 ,为控制系统设计中确定晃动阻尼提供最可靠的依据     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

火箭推进剂液体晃动关机响应的数值仿真

本文采用VOF方法对火箭发动机关机阶段所引起的液体晃动进行了数值仿真，以氧化剂贮箱为例，得到了贮箱无阻尼环和带阻尼环时的晃动仿真图和液体质心变化曲线，检验了VOF方法处理碎波的能力。     

从具有非线性特征的衰减“拍”波形确定阻尼率的方法

本文提出一个从具有非线性特征的衰减“拍”波形确定阻尼率的方法——二次包络法。第一次包络是对衰减“拍”波形实施希尔伯特(Hilbert)变换得到的,第二次包络是以第一次包络曲线的峰谷值为基准,分段用线性插值形成的变系数指数曲线。根据第二次包络的两条曲线,用对数减量确定随响应振幅而变的阻尼率。本文以分离贮箱中液体晃动阻尼的确定为例验证了方法,结果表明精度达到了工程应用的程度。除对液体晃动的阻尼测定之外,本方法还适用于密模态高粘弹性结构的模态阻尼测定。     

基于透射原理的液面变形测量方法综述

带液体燃料的航天器的液体晃动与运动控制离不开液面变形的精确测量。然而液体的弱反射性、易变形性、强透射性等特点增大了液面变形的测量难度,而传统的固体形貌光测技术并不适用。文章综述了目前应用较广的基于透射的液面变形测量方法,重点对相位偏折法、畸变分析法和光线追踪法的测量原理、灵敏度、适用范围和各自的优缺点进行讨论;并展望液面测量方法的发展方向和趋势。     

低重环境下圆柱贮箱内液体晃动特性研究的一种解析法

考虑低重环境下圆柱贮箱内由于表面张力影响而呈现弯曲自由液面的情况,利用Fourier Bessel级数对贮箱受横向激励时的自由液面处的边界条件进行展开,得到液体晃动系统的广义状态方程,给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特性的计算公式。通过数值算例与文献结果对比,在验证文中方法正确性的同时,具体研究了各晃动特性随充液深度、外激励频率和Bond数等参数变化的规律。     

航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。     

球形贮箱中三维液体大幅晃动数值模拟

提出一种新颖有效的网格移动算法,使用任意拉格朗日-欧拉（ALE）有限元方法对球形贮箱中三维液体大幅晃动问题进行数值模拟。对接触线网格及自由液面网格指定其运动轨道,对湿壁面网格采用代数更新算法,对域内网格采用Laplace方程对网格速度进行平滑。同时采用基于特征线的时间分裂（CBS）格式来处理对流效应引起的数值振荡。数值计算结果与已有试验数据进行了对比,两者吻合良好,证明了网格移动算法与计算格式的可行性与准确性。     

超低重力环境下液体推进剂的特性

通讯卫星上液体推进剂的质量比值大会对卫星的姿态产生影响,这与卫星的力学特性和流体运动间的相互作用有关.卫星贮箱内液体燃料的自由表面波动或液面晃动是一个公认的问题.本文提供了作用于贮箱上,且量值相当大的重力或等量加速度力的数值结果,但这种力变小时就应把其它的力考虑进去,如液体燃料与液面上部的气体之间的面际张力.在ALCATEL SPACE和LEMMA的共同努力下,已开发出ANASLOSH软件包,其目的是给任何即便是很小的加速度力提供准确测定晃动模式的方法.首先,考虑表面张力及液-气界面与贮箱壁交点处的接触条件,确定稳态平衡表面的形状,接着,计算出了自由表面的微小振荡.电推进机动飞行过程中通讯卫星晃动模式的确定就是其一项工业应用.